用于肠道机器人的螺旋式平板发射线圈对设计

传统的肠道机器人无线能量传输系统发射线圈普遍采用中空圆柱体轴向绕线的方式,空间占用体积较大,限制了被检查者的活动空间,绕制复杂。本文提出了一种用于肠道机器人松耦合无线能量传输系统的发射线圈结构,由方形螺旋式绕制的平板线圈对组合而成,极大缩减了线圈的轴向长度,有效减少了发射线圈的体积,线圈结构更为简单轻薄。介绍了无线能量传输系统的工作原理,通过Comsol仿真分析了所设计线圈的磁场分布规律。最后,实验验证了该能量发射装置设计的可行性,并确定了最佳谐振频率。实验结果表明,在工作频率为213 kHz时,线圈对中心处无线能量传输系统的功率为787 mW,传输效率为5.7%,能够满足肠道机器人的功率需求。

磁共振射频发射线圈对静磁场影响的研究

通过实验方法研究静磁场中个别点磁场强度的异常情况。找到其产生的原因 ,并提出有效方法加以解决 。

基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器

磁阻线圈发射器具有出口速度一致性好、可靠性高和能源清洁等优点。但是现有磁阻线圈发射器普遍效率较低,限制了其工程应用。为提高发射效率,提出一种基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器方案。首先建立了传统二级磁阻式发射器的模型,采用有限元软件进行了仿真计算。结果显示,在电枢经过线圈中心后,驱动线圈中剩余电流产生的磁场会使电枢受到反向电枢拖拽力而减速。针对上述问题,提出一种新型的基于电容吸收拓扑电路的能量回收方案,分析了各阶段的放电特性。计算结果表明:与传统放电电路相比,新型放电电路可以使驱动线圈的剩余电流被电容器吸收实现快速衰减,电枢出口速度由21.46 m/s提高至26.19 m/s,效率由14.50%提高至21.59%。新型放电电路能够对电枢加速后的剩余能量进行回收,明显减小电枢拖拽力,提高了发射速度与能量回收效率。

同步感应线圈发射器弹载存储测试技术研究

该文提出多级同步感应线圈发射器弹载存储动态测试技术。首先,基于电磁场理论定量分析了同步感应线圈发射器发射过程中存在的强脉冲和高过载环境;其次,设计具有抗电磁干扰且抗高过载能力的弹载存储测试装置,并分析了装置的屏蔽效能和承载能力;最后,研制带弹载存储测试装置的测试弹,并开展了30级同步感应线圈发射器动态发射试验,得到同步感应线圈发射器动态过程中磁感应强度数据和加速度数据,与仿真数据吻合,且误差可控制在4.7%,同时揭示了发射始末测试弹存在“规律碰撞”效应和“周期章动”现象。

一种基于磁阻式线圈的模拟冰雹发射装置设计与仿真

基于光伏板模拟冰雹撞击试验的实际需求,开展了磁阻型线圈发射装置与脉冲功率源之间的匹配性研究。通过理论对续流前置型和续流后置型两种基本脉冲放电电路进行了适用性分析,结果表明,续流前置型脉冲放电电路与发射装置具有更优的匹配性。针对发射过程中剩余脉冲电流的反向制动问题,设计了一种可以快速消除剩余脉冲电流的泄能电路,用于改进续流前置型脉冲放电电路的拓扑结构,进一步提高其适用性,并借助仿真进行验证。结果表明,泄能电路能快速消除剩余脉冲电流的反向拉力影响,使抛体的发射性能显著提高,抛体出口速度相比传统放电电路提升50.8%,系统发射效率提高127.5%。该项研究可为磁阻式线圈发射技术应用在模拟撞击试验领域的研究提供参考。

胃肠道胶囊机器人无线能量传输系统中发射线圈优化设计

基于无线能量传输的模型与原理,仿真分析了几种不同类型发射线圈的磁场分布。结果表明,线圈磁芯开口大小、磁芯与空气界面的形状、线圈放置的位置都会对发射线圈附近磁场分布产生影响。进而优化出扇环型发射线圈,当线圈中通以频率218 kHz、幅值1.125 A的电流时,可在一定的空间区域形成3.0~4.7 G、比较均匀的磁场,满足胃肠道胶囊机器人的供能需求。相较于已有同用途的发射线圈,优化设计的发射线圈结构简单、整体尺寸显著缩小,同时采用较小的电流就能满足供能需求。研究工作可为优化设计无线能量传输系统中的发射线圈提供新的思路和可行途径。

低加速力波动感应线圈型发射器的外电路设计

感应线圈型发射器中每级驱动线圈都会对电枢产生脉冲形式的电磁推力,导致电枢在发射过程中加速力波动较大。过大的加速力峰值以及加速力波动都可能对载荷造成不利影响甚至损坏其内部携带的敏感电子器件,因而限制了感应线圈型发射器在实际工程应用中的价值。针对上述问题,提出一种多电容分时触发的新型驱动电路,并通过分析电容值和电枢触发位置变化对发射器发射效率的影响,说明了该电路的可行性。设计三种模式的驱动电路进行对比,研究结果表明:相比于其他电路触发模式,提出的分时触发模式在初始储能相同和电枢出口速度近似的情况下,电磁加速力峰值降低了2.04 kN,加速力波动降低了2.36 kN。因此,采用分时触发电容的驱动外电路,可以有效降低电枢的加速力峰值和加速力波动,并为携带敏感载荷的感应线圈型发射器的设计提供了参考价值。

基于分布式发射线圈的WPT抗偏移与互操作性研究

无线电能传输系统中接收端与发射端之间相对位置的偏移会在一定程度上影响系统传输效率,笔者从耦合机构的全范围抗偏移性、互操作性2个方面进行研究,提出一种多对一的耦合模式,发射线圈类型为平面分布式发射单元线圈组合,对不同的接收线圈类型、轴向偏移工况和旋转偏移工况的位置模态研究分布式发射线圈的开启模式,实现接收线圈的互操作性和大范围全方向的抗偏移性。为提高分布式发射线圈的自由度,提出分布式串联控制逻辑电路,并对发射线圈串联连接工况下的谐振参数进行设计以减少交叉耦合影响。结合分布式发射线圈的磁场特性和基于LCC-S谐振拓扑的拾取电压检测法,提出接收线圈位置检测的搜索策略。搭建实验装置,综合所有位置的轴向偏移及旋转偏移,平面式接收线圈的最大效率波动为3.3%,垂直式接收线圈的最大效率波动为5.57%,螺线管式接收线圈的最大效率波动为4.45%,实验结果表明,其具有良好的抗偏移特性与互操作性,验证了系统的可行性、高效性。

电磁线圈发射器环氧材料高温老化特性研究

因工作在脉冲大电流、高温、大冲击力等极端条件下,电磁线圈发射器容易老化失效,甚至发生结构损坏。为此,对电磁发射器3240玻纤/环氧复合材料在高温下的老化特性进行了研究。将试样放置于110、130、150℃恒温箱中进行热老化处理,并对热老化试样进行了质量损失、抗冲击强度与弹性模量测试。结果表明:老化时间和温度的增加,均会使试样质量损失率增大,抗冲击强度和弹性模量减小。通过扫描电镜以及红外光谱分析可知:在高温环境下,环氧树脂的氧化分解导致其分子链断裂,破坏了其原有的分子空间结构,使其表面出现裂纹等缺陷。上述研究结果可以为电磁发射器温度老化研究提供参考。

肠道机器人无线供能的混合式三维发射线圈特性研究

在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑并可利用自身的对称性,能够通过旋转产生无死区的三维空间磁场.对两种线圈形式的特性以及组合后的特性分别进行分析.仿真和实验结果表明,在2 A电流激励下,在线圈中心处具有最低3.44%的传输效率和1 204 mW的接收功率,位置均匀性最低为88.1%,能够实现能量的空间三维覆盖.

植入式电刺激系统发射线圈抗空间敏感性设计

基于电感耦合的无线电能传输方法广泛应用于医疗植入体进行功率和信号传输。临床前研究多用自由活动的小型啮齿类动物,这要求发射线圈在动物活动范围内产生均匀磁场,使动物体内植入体能量接收保持空间稳定性。文中提出了两种构型的发射线圈,分别为空间⁃盘形组合发射线圈和盘形叠加组合发射线圈。COMSOL Multiphysics仿真结果表明:空间⁃盘形组合的发射线圈可明显降低因发射⁃接收线圈距离变化而产生的电能输出波动;盘形叠加组合发射线圈可显著降低线圈间中心轴偏移敏感性。这两种发射线圈可用于抗空间敏感性的动物实验设计。

基于电磁线圈发射的火炮增速可行性研究

为满足现代战争需要,大幅度提高火炮初速至关重要。提出了一种基于电磁线圈发射的火炮增速技术,弹丸火药发射过程中,该增速技术通过电磁线圈发射装置在弹丸薄壁上产生电磁力,进一步推动弹丸加速,从而达到增速效果。基于电磁线圈发射的场路耦合有限元模型,分别对不同身管材料的磁阻型线圈发射和同步感应型线圈发射进行分析,并研究身管厚度对发射性能的影响,结果表明逆磁性绝缘身管的同步感应型线圈发射性能最佳,且身管越薄,发射性能越好。最后对25级线圈发射器的增速性能进行估算,结果显示可将原出膛速度为600 m/s的弹丸加速到757.19 m/s,增速率为26.2%。分析表明基于电磁线圈发射的火炮增速技术可以极大地提高火炮初速,具有广阔的应用前景。

多发射线圈准全向无线充电研究

为了实现高效的无线充电能量传输,提出使用2个正交的平面螺旋线圈作为发射端,实现了全向充电,且使得产生的磁场在空间中的分布更加均匀。研究了该结构的磁场强度,并通过MATLAB仿真软件进行了分析。根据磁场模型的分析,比较了两正交平面螺旋线圈结构和两正交圆柱螺旋线圈结构的全向性。通过Maxwell仿真软件对两正交平面螺旋线圈进行了有限元分析。实验结果表明:正交平面螺旋发射线圈也可以产生效果不错的旋转磁场。当使用相同长度的线圈来绕制,且平面螺旋线圈外半径等于圆柱螺旋线圈的半径时,平面螺旋正交线圈产生的磁场分布更均匀,全向性更好。

同步感应线圈发射器多物理场直接耦合分析

为了优化电枢结构性能,基于装备应用需求开展了多级同步感应线圈发射器电磁-结构-温度多物理场直接耦合分析研究。首先,基于电磁场理论推导了同步感应线圈发射器多物理场耦合方程和有限元-边界元方法求解过程;然后,利用LS-DYNA软件进行了三级同步感应线圈发射器多物理场直接耦合分析,并完成了套筒电枢发射分析;最后,得到了同步感应线圈发射器发射过程中电磁力、应力和温度随发射时间和空间结构变化规律,即电磁力、应力和温度集中在电枢尾部区域,且随发射时间逐步向前端和向内层扩散,在电枢前端内层区域,电磁力占比小于0.1%,故在兼顾发射性能和结构性能的前提下,电枢头部厚度可明显减小。

多级同步感应线圈发射器电枢内膛磁场分布特性影响因素分析

电磁弹在同步感应线圈发射器内发射时需要承受强磁场环境,为探索电磁弹内磁场分布特性,提出元器件布局原则,针对多级同步感应线圈发射器电枢内膛的强磁场分布特性进行了分析,并通过发射器仿真模型对影响电枢内中轴线上磁场分布的影响因素进行了分析。结果表明:电枢的厚度越大,一定范围内发射性能越好,但其产生的环向涡流也越大,从而会抵消减小电枢内膛中的磁感应强度,厚度的增加会减缓磁感应强度的下降速率;电枢的外径越大,其发射性能越好,其中轴线上磁感应强度越小;电枢材料的导电性能越差,电枢内膛中轴线上的磁感应强度越大,发射性能也越差;电枢头部磁感应强度远小于其尾部的磁感应强度,由此可指导后续电磁弹设计以提高安全性。

续流能量回收的线圈发射电源系统研究

提升电磁线圈发射效率一直以来都是热点研究问题。在分析线圈发射高速段续流电流损耗问题的基础上,提出一种可对高速段进行续流能量回收的线圈发射电源系统。该系统可回收部分续流能量,降低系统损耗,提升系统效率,并且可以降低发射末端截获效应,提升发射末速度。分析了续流能量回收脉冲电源的工作过程,从能量角度分析了可续流能量回收级数的相关因素,理论分析总损耗相比于典型模型可减少31.05%。搭建了5级线圈发射装置进行实验验证,实验中,续流能量回收电源系统将发射效率由原来的16.95%提高到23.31%,由于截获效应减小,末速度由58.6 m/s提升为62.7 m/s,损耗也相应降低。

基于电流丝法的多级线圈发射装置滑差与线圈匝数匹配特性研究

同步感应线圈炮(SICG)作为一种新概念动能武器,多场耦合和极端冲击相互作用的复杂电磁环境使其运行受多个因素的影响,而电磁发射时产生的线圈本体温升已成为限制发生器发射效率和使用寿命的主要因素之一。针对此问题,以单级同步感应线圈炮为研究对象,建立了基于电流丝法(CFM)的模型和有限元“场-路”耦合计算模型,分别对比分析了2种模型的发射效率及影响因素;研究了不同结构参数对电枢温升和加速度的影响规律,阐明了高速发射器滑差与匝数匹配关系;针对7级和25级同步感应线圈炮进行仿真验证,仿真结果表明:采用适当的线性分布滑差可以在一定程度上将加速度反向,从而使得电枢在炮管的加速过程更加平稳,实现对电枢发射速率与方向的精确控制。相关研究结论可为同步感应线圈发射器的结构设计以及高效运行提供参考。

基于桥式驱动电路的磁阻型电磁发射器仿真与实验

在磁阻型线圈电磁发射器中,驱动线圈的剩余电流会影响抛体的发射效率。将磁阻型线圈电磁发射器驱动电路中的电容器用桥式电容电路替代,通过桥式电容电路能够快速降低发射器中驱动线圈的剩余电流,避免抛体在运动时受到反向的回吸力。该文介绍了桥式驱动电路在磁阻型线圈电磁发射器中的工作原理,通过仿真与实验对比分析磁阻型线圈电磁发射器在传统驱动电路与桥式驱动电路中的发射性能。实验和仿真的结果表明:采用桥式驱动电路后,磁阻型线圈电磁发射器的效率得到了提高,剩余电流的能量回收到电容器降低了系统能量的损耗。仿真和实验结果的规律具有一致性,验证桥式驱动电路在磁阻型线圈电磁发射器的可行性,为解决驱动线圈剩余电流及反向力的抑制提供了参考。

一种组合式同步感应线圈发射器研究

同步感应线圈发射器是一类利用电磁能推进电枢的发射器。普通三级线圈发射器在加速电枢过程中形成的推力不够平滑稳定,且随着速度与推力的增大,驱动线圈易于损坏。文章提出了一种两段三级组合式同步感应线圈发射器设计方案,进而采用有限元仿真软件进行了场路耦合计算,对普通三级线圈同步感应发射器和新设计的发射器的电枢所受电磁力、电枢速度变化等特性的波形进行了比较。结果表明,两段三级组合式同步感应线圈发射器对电枢能产生更大的推力,且推力和加速度变化特性的波形更为平滑稳定;而且其两段三级组合式设计,能够分散线圈的径向受力,从而使驱动线圈不易损坏。物理试验结果验证了仿真计算结果的可信性。

大功率无线电能传输系统能量发射线圈设计、优化与验证

如何对电磁线圈进行合理的设计及优化是无线电能传输系统设计时需要解决的关键问题之一。本文提出了无线电能传输系统的直接场路耦合算法模型,并通过参数求解的方法计算了不同半径的单匝线圈空间磁场及电路参数的整体变化趋势,从而得出与线圈设计相关的指导原则。然后根据大功率电磁耦合谐振式无线电能传输系统的特点设计了三种不同结构发射线圈,计算了电气特性并通过实验进行验证。实验结果表明,五组并绕盘型线圈与其他结构线圈相比具有更低的电感量与更高的谐振频率,并且实际工况下中心轴向磁场强度与沿轴向磁场较大,适合作为发射线圈形式。通过采用本文分析方法可有效避免设计和试验的盲目性。