2 GeV等时性加速器散焦磁铁的1∶4比例模型线圈低温系统研制

为了掌握大范围交变梯度高温超导磁铁设计、内凹螺旋形结构的高温超导磁体绕制固定等技术,验证关键技术可行性,中国原子能科学研究院(CIAE)启动了FDF聚焦结构中散焦磁铁的1∶4比例高温超导磁铁研制。为此设计并研制了以小型GM制冷机为冷源的一种冷箱与超导线圈恒温器一体式的氦气循环系统,该系统由2台GM制冷机提供冷量,一台常温循环泵实现氦气循环,整个系统在提供足够的制冷量的前提下,能够确保高温超导线圈的温度均匀分布。该系统可将1∶4比例高温超导线圈最低冷却到25.3 K,完成了超导线圈载流性能的测试和超导线圈磁场特性测试,达到了设计的工作电流和最高磁场。验证了大型无绝缘、干式高温超导线圈在真空状态下采用氦气循环传导冷却方案的可行性,并验证了磁体与低温系统长期稳定运行性能,为新一代等时性高功率固定场交变梯度(FFAG)加速器磁聚焦结构的研制奠定了基础。

基于边界元逆问题法的超低场磁共振大鼠脑部成像双通道射频线圈优化设计

目前超低场磁共振成像(MRI)质量较差,为提升图像信噪比,射频线圈需尽可能贴近成像区域从而提升信噪比。该文采用间接边界元法并从逆问题角度求出线圈流函数分布,再利用线性规划寻找最优线圈结构。为验证超低场MRI诊断颅脑疾病的有效性,采用上述方法,在54 mT下针对大鼠头-脑几何形状设计了双通道射频接收线圈,并对大鼠脑卒中及脑外伤模型进行成像试验研究。试验结果表明,54mTMRI能够检出水肿和血肿病变,且与病理切片或临床3T MRI图像结果相符。同时,通过脑外伤模型7天的追踪观察,54 mT图像中病变的信号演变规律与高场影像一致。针对特定成像对象和非规则布线曲面,该文利用间接边界元逆问题法设计高信噪比射频接收线圈,大鼠模型试验证明超低场磁共振成像技术具有脑卒中与脑外份早期诊断与床旁影像监护潜力与价值。

夯实基础知识 提升学科素养——电容器、线圈及LC振荡电路的图像研究

关于图像问题,无论是直接考查,还是基于一定的实际情境进行合理的模型建构,一直是重要的考查手段.但“图像”中关于电容器充、放电过程中的I-t图像,线圈自感时的I-t图像及LC振荡电路中电流(电荷量)随时间的变化图像,高中物理教材中都是直接呈现的,学生并不容易理解.对教材中的相关内容进行整合、串联,通过理论探究,以期发展学生科学思维能力,提升科学探究能力.

煤矿井下随钻方位电磁波仪器线圈结构设计

随钻方位电磁波仪器是地层界面及异常体地质导向钻进探测系统的重要组成设备,现有仪器常见使用于石油行业,煤矿井下未曾有相关研究,与煤炭行业相比石油仪器通常具有尺寸大、功耗高等缺点。为解决此问题,阐述了该仪器结构设计总体思路,介绍了线圈罩、钻铤、线圈槽、线圈底衬等结构设计和对仪器响应的影响。综合考虑测量信号响应强度及机械强度2个重要因素,设计同时满足探测性能和钻井强度的仪器外壳,并掌握仪器结构影响特征,为仪器设计和实际应用提供理论依据。

列车用直流接触器线圈故障分析及改进

为提升列车用直流接触器线圈质量稳定性,本文基于产品应用过程中出现的绝缘不良、线圈回路开路、线圈烧蚀三种故障模式,采用故障树工具梳理出八条底事件,针对性制定了设计优化、工艺改进、过程管控三类共八条改进方案。最终对三种故障模式设计了五个试验,通过试验验证确认线圈耐压、过程防护、绕线、浸漆、引线、注塑均得到改进。本文对列车用直流接触器线圈故障进行的故障分析和制定的改进方案,可为直流接触器线圈的故障排除和产品迭代提供参考,降低产品故障率,提高质量稳定性。

高纯度横波蝶形线圈电磁超声换能器优化设计

蝶形线圈电磁超声换能器(EMAT)能够在铝块中同时激发出超声横波和纵波,接收信号中存在横波反射回波和纵波反射回波,纵波回波会影响缺陷检测的准确性。该文设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT,通过改变线圈不同位置导线的宽度与间距,改变不同位置的换能效率,以实现横波的增强和纵波的抑制。首先,考虑永磁体的空间磁场分布,分析蝶形线圈EMAT不同位置导线所受洛伦兹力与激发超声波类型的关系,结合有限元声场云图,得到EMAT接收信号中存在多个回波的原因;其次,研究线圈参数对换能效率和横波纵波幅值比的影响规律,利用有限元仿真确定变尺寸EMAT的设计参数;最后,制备常规与变尺寸蝶形线圈EMAT,采集无缺陷铝合金试块的回波,结果表明,当永磁体直径与线圈中心宽度比为1.92时,纵波幅值削弱了66.1%,横波幅值增大了36.3%,横纵波幅值比从5.8升至23.1。该文设计的变尺寸蝶形线圈EMAT实现了对纵波的削弱和横波的增强,提升了横波电磁超声内部缺陷检测的可靠性。

基于自谐振线圈参数优化的多中继无线供电系统效率提升研究

印刷电路板(printed circuitboard,PCB)自谐振线圈可以避免绕线引起的偏差,且不受分立补偿电容的影响,应用在多中继无线供电系统中极具前景。针对PCB自谐振线圈结构参数优化不完全所导致的多中继无线供电系统传输效率低下的问题,该文给出了一种用以提升系统传输效率的PCB自谐振线圈结构参数优化设计方法。首先,建立了多中继无线供电系统的传输效率模型,并分析了线圈的电参数对传输效率的影响机理;其次,详细推导了线圈电参数与线圈的匝数、介质厚度、线宽、铜箔厚度、介质损耗角正切值以及介电常数之间的关系;然后,基于上述关系,以传输效率最高为目标,优化了线圈参数;最后,利用优化后的PCB自谐振线圈搭建了一套五线圈无线供电系统实验样机。实验结果表明,采用优化后的PCB自谐振线圈传输效率最高可达76.5%,相比优化前33.1%的传输效率,提高了43.4%。

钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法

利用掘进巷道超前探水钻孔进行钻孔瞬变电磁法探测钻孔孔壁外围远距离含水体,避免了常规测井方法仅能探测钻孔孔壁岩层的“一孔之见”。目前钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响,接收到的单分量响应不能判别异常体方位;多分量响应可以近似判断异常体的大致方位,但难以通过成像等直观有效的方法对其进行精确定位。基于钻孔瞬变电磁法和方位电磁波测井相关理论,提出了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法,采用方位线圈作为探测装置,减小线圈互感,增强钻孔瞬变电磁法的探测效果。同时,通过改变线圈旋转角,对钻孔孔壁进行360°扫描,形成钻孔径向全方位探测,旨在对钻孔孔壁外围岩体中的低阻体进行精确定位。首先推导方位线圈的互感解析表达式,探讨方位角对方位线圈互感的影响,通过数值计算确定最佳方位角取值。分别建立均匀介质和含低阻异常体的钻孔全空间三维地质-地球物理模型进行瞬变电磁场数值模拟,分析方位线圈的瞬变电磁法扫描探测多分量响应特征,总结方位线圈扫描探测瞬变电磁响应规律,确定了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法,即通过钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征判别钻孔孔壁外围岩体中低阻异常体的位置。最后建立含2个低阻体的地质-地球物理模型,采用最佳方位角的方位线圈进行数值实验,验证了该方法能有效地判别低阻异常体的方位。研究表明:钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测结果可以较好地反映钻孔径向外围岩体中低阻异常体引起的瞬变电磁场异常,全空间视电阻率成像结果分辨率较高。依据钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征,钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法对钻孔孔壁外围岩体中的低阻异常体具有较高的分辨率及定位精度。研究结果可以为钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法的实际应用提供理论依据。

基于凸型线圈双向电磁力加载的管件电磁翻边成形

传统线圈电磁力单一导致管件翻边角度不佳。本文提出采用凸型线圈管件翻边的方法,通过设计新型线圈,同时为管件翻边提供双向电磁力。建立了两组模型,分别采用传统线圈和凸型线圈驱动管件发生电磁翻边成形,探讨分析了两组管件模型翻边成形过程中的电磁力矢量以及变形速率的变化。结果表明,凸型线圈加载管件翻边时提供的双向电磁力极大地提高了管件变形的流动性,从而提高了翻边角度。此外,相同放电参数下基于凸型线圈的管件翻边角度较传统线圈提高了1.25倍。显然,新型线圈能够在一定程度上改善管件电磁翻边的质量问题,为电磁翻边成形的工业化应用提供更多可能。

基于磁心与线圈参数优化的非侵入式磁场取能系统功率密度提升方法

非侵入式磁场取能系统具有结构简单、供电稳定等优点,是解决变电站母排环境中状态监测传感器电池供电寿命有限的有效手段,但因功率密度较低制约了其应用。对于非侵入式磁场取能系统,磁心与线圈参数对其功率密度的影响非常显著。然而,现有方法对磁心与线圈参数的分析相对独立,优化磁心时仅以互感为指标,忽略了该过程线圈参数变化对功率密度的影响。对此,该文考虑磁心尺寸对线圈参数的影响,以功率密度为指标,详细分析线圈匝数、线圈线径、磁柱侧面边长与叠片厚度对系统功率密度的影响。并在此基础上,提出一种优化磁心与线圈参数的功率密度提升方法,即设计线圈匝数、线圈线径、磁柱侧面边长与叠片厚度的最优值,以获取更高的功率密度。最后,基于所提出的方法制作了系统样机并进行测试。实验结果表明,对于限定磁心尺寸为30 mm×30 mm×40 mm的系统,在100 A母排电流下,系统经磁心与线圈优化后功率密度可达4.18 mW/cm~3,提升至系统优化前功率密度的35倍,验证了所提出方法提升功率密度的有效性。

基于电磁铁复合线圈的磁浮车悬浮间隙检测方法

针对传统电涡流传感器体积大、无法直接测量真实电磁间隙等问题,提出了一种基于电磁铁复合线圈的磁浮车悬浮间隙检测方法。首先,分析了悬浮系统等效电磁间隙检测原理,针对电磁铁和F轨表面高频涡流对复合线圈磁场耦合作用建立了复合线圈等效阻抗模型。其次,通过有限元仿真优化了复合线圈激励频率和复合线圈间隙检测系统结构以提高检测灵敏度,设计了谐振检测电路和信号解调电路有效抑制了悬浮系统与间隙检测系统之间的串扰。最后,进行了静态性能测试和悬浮实验,校正后的线性度为0.4%,恒定间隙时静态输出最大波动峰峰值为89μm,悬浮系统能够在给定间隙、阶跃扰动和偏移扰动的不同工况下稳定悬浮。实验结果表明,间隙检测的响应速度和检测误差均满足系统要求。

自主研发高分辨盆腔专用线圈在3.0 T磁共振设备成像价值的评估

目的探讨自主研发的16通道高分辨盆腔专用线圈(16C)在3.0 T盆腔MRI中的应用价值。材料和方法前瞻性招募35例行盆腔MRI的患者,分别用16C线圈和32通道的体部线圈(32C)采集相同的轴位和矢状位T2WI序列。比较相同序列图像中第三骶椎、子宫肌层、前列腺外周带、直肠壁和闭孔内肌的信噪比(signal to noise ratio,SNR)及对比噪声比(contrast to noise ratio,CNR)。由两位诊断医师各自对两组图像质量和直肠轴位图像直肠壁分层结构的显示度进行主观评分。结果两组线圈相同序列的T2WI矢状位第三骶椎、子宫肌层、前列腺外周带和轴位闭孔内肌的SNR差异具有统计学意义(P<0.05),矢状位第三骶椎、子宫肌层和轴位直肠壁对肌肉的CNR差异具有统计学意义(P<0.05),16C组高于32C组。两组线圈相同序列的T2WI图像质量主观评价差异具有统计学意义(P<0.05),16C组图像质量更优。在轴位T2WI直肠壁分层结构的显示度评价方面两组图像差异具有统计学意义(P<0.05),16C组更优。结论16C线圈在3.0 T磁共振设备上成像质量更好,更有利于盆腔疾病的诊断。

仅线圈式电磁超声检测方法与提离特性研究

针对传统永磁体式或脉冲电磁铁式电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)易吸附铁磁性颗粒导致换能效率下降甚至功能性损坏、难与铁磁性金属材料实现快速分离或移动、探头体积大、难以实现狭小区域等探头不可达区域的检测等难题,提出了一种仅线圈式电磁超声检测的技术实现与建模方法。建立了集仅线圈式EMAT的激励等效电路和检测过程的场路耦合分析有限元模型,分析了仅线圈式EMAT的纵波激励和接收机理,研究了提离对EMAT线圈的等效阻抗、放电电流的高频成分和类直流成分、检测回波的幅值和中心频率的影响。研制了仅线圈式EMAT检测电路,验证了提离的影响规律。研究结果表明:所研制的仅线圈式电磁超声检测系统可以在80 mm厚的铝合金试样中激励和接收纵波,且在0.1 mm提离时,一次底波的信噪比为28.10 dB。当提离由0.1 mm增加至1.0 mm时,二次底波的信噪比由22.21 dB减小至8.01 dB,其中心频率由1.35 MHz下降为1.27 MHz。

U型线圈检测发电机励磁绕组匝间短路性能分析

励磁绕组匝间短路故障在汽轮发电机中具有较高的发生率,对该故障进行灵敏、快速和可靠诊断可以防止故障恶化、降低故障查找成本。本文分析了励磁绕组匝间短路的磁场特征,介绍了U型检测线圈法检测励磁绕组匝间短路的基本原理,通过有限元仿真模拟汽轮发电机额定负载工况,在转子各槽设置不同程度匝间短路故障,获取安装于不同位置的U型线圈的感应电压,进一步提取电压谐波特征以及时域脉冲波形变化规律,比较了U型线圈处于不同位置的检测效果,为U型线圈的安装提供了可靠的数据支持。

同轴多层筒式空心线圈自感和互感解析计算方法

在电磁耦合的无线电能传输系统中,准确获取线圈电感参数是设计和优化无线电能传输系统的重要理论依据。现有的无线电能传输系统研究大多针对平面板结构线圈,同轴多层筒式空心线圈相比于平面板线圈具有更高的传输功率和传输效率。因此,该文针对同轴多层筒式空心线圈,提出了一种考虑高频涡流效应的自感和互感解析计算方法。首先,将单匝线圈截面离散等效为数量众多、形状相同的网格带电圆环单元,采用离散等效求和法推导出单匝线圈的自感和线圈间互感的解析式;然后,基于筒式空心线圈的整体结构以及考虑高频涡流效应,推导出基于第一类、第二类完全椭圆积分和开尔文函数的一、二次线圈自感和总互感计算的理论解析式;最后,以两种不同排布方式的筒式空心线圈为例,对比解析计算、有限元计算和实验测量结果,验证了所提解析法的可行性,同时也为筒式空心线圈的设计提供参考依据。

磁聚焦式扭矩传感器激励线圈控制策略研究

为测量旋转轴不同工况下的扭矩,提出了一种基于磁聚焦式扭矩传感器的激励线圈控制策略。该控制策略以控制传感器稳定输出幅值为2 mV电信号为目标,将感应电压数学模型和正交试验法相结合,对各个工况下的激励线圈控制策略进行设计,并利用MATLAB和COMSOL软件对各控制策略进行理论计算和有限元仿真验证。为模拟传感器在台架实验中得到的带噪声信号,对仿真得到的输出电信号添加高斯白噪声,利用MATLAB仿真软件对带噪声信号进行滤波优化。仿真结果表明:该控制策略能够使传感器在旋转轴的不同工况下,稳定输出幅值为2 mV的类正弦电压信号,验证了其可行性。

电枢外置线圈感应型电磁发射器磁场分布与运动特性

为强化线圈感应型弹射器对弹射体外形的适应性,提升弹射器的空间利用率,提出了电枢外置式线圈感应型电磁发射器,建立了6组不同条件的发射器模型,通过数值计算求解驱动线圈的磁场分布,通过静态有限元仿真计算驱动线圈和电枢的耦合情况,理论分析了电枢的受力情况,进行了瞬态有限元仿真验证,研究了驱动线圈内径和电枢相对位置对发射器的影响。磁场计算结果表明,驱动线圈内部径向磁感应强度与外部径向磁感应强度近似相等,外置电枢包围的轴向磁通为5.51×10^(-5)~22.04×10^(-5)Wb,内置电枢包围的轴向磁通为2.81×10^(-5)~17.39×10^(-5)Wb,驱动线圈外部的磁感应强度峰值为5.38×10^(-3)~7.32×10^(-3)T,内部磁感应强度峰值为1.57×10^(-2)~1.93×10^(-2)T。静态有限元仿真结果显示,外置电枢与驱动线圈的互感和互感梯度大于内置电枢约1.5倍~3倍。瞬态有限元仿真结果表明,内置结构的效率为2.96%~17.57%,外置结构的效率为4.94%~19.76%。证明了外置电枢包围的磁通约为内置电枢包围磁通的1.27倍~1.96倍,因此在径向磁感应强度接近的情况下,外置电枢可以获得更大的加速力;驱动线圈外部的磁感应强度大约是内部磁感应强度的1/3,因此外置结构具有更好的电磁防护能力;外置结构的能量转换效率比内置结构的效率高12.5%~66.6%,因此外置结构具有更高的能量转换效率。

瞬变电磁接收线圈响应过程分析: 以阻尼比与谐振频率为例

以电磁感应为原理的接收线圈是测量瞬变电磁信号的核心器件, 研究其响应特性对于瞬变电磁装备研发与校准具有重要意义.本文基于空心线圈的传感器方程与瞬变电磁的理论信号, 分析了阻尼比与谐振频率这两个关键参数对瞬变电磁感应线圈响应过程的影响规律, 并给出了选取建议.在讨论阻尼比选取的过程中提出了两种定量计算方法, 首先计算了纯二次场接收时间中不同阻尼比的累计积分误差, 发现在阻尼比取0.6411时整体积分误差最小;但考虑到瞬变电磁方法观测信号应尽早摆脱震荡达到稳定输出的特点, 又引入了线圈响应值与理论值的比值η曲线以及稳定截止时间参数tc, 比较不同阻尼比下进入稳定输出的时间点, 发现能够最早达到稳定输出的阻尼比为0.9118, 并将其作为本文的阻尼比选取建议.针对线圈谐振频率, 通过对比不同谐振频率下的线圈输出曲线发现随着线圈谐振频率增加, 输出曲线的响应速度与完成震荡过程的速度均会提升, 可以提前到达稳定截止时间, 能够提前观测瞬变电磁有效信号.还发现随着谐振频率的增加, 曲线的响应速度不断加快, 且线圈中接收到的能量随之增加, 但通过提高线圈谐振频率来提升响应速度或者增加接收能量都存在明显的边际递减效应, 因此建议线圈谐振频率设置在增速拐点之上以保证线圈的综合性能.本文研究对瞬变电磁接收线圈传感器设计具有参考价值.

基于物理模型的ISTAVS-Net多线圈MRI图像重建

提高磁共振成像速度是磁共振领域待解决的问题,采用多线圈扫描是一种常用加速方式.但在加速因子大于4时,传统压缩感知磁共振(CS-MRI)重建算法得到的图像质量不高.为此,本文提出一种基于物理模型的ISTAVS-Net多线圈MRI图像重建方法.将ISTA算法与VS-Net网络拆分思想相结合,提出ISTAVS算法,并展开成ISTAVS-Net网络.将每步迭代与网络模块结合,比黑盒U-Net网络的可解释性更强.网络中引入残差机制,增加了网络的非线性表达能力和稳定性.稀疏变换、收缩阈值以及正则化参数在训练中自动学习,提高了重建的灵活性.采用Globus膝关节数据集的测试结果表明不同加速因子下ISTAVS-Net网络效果均优于传统的L1-ESPIRiT和ISTA迭代算法,图像质量和性能指标比U-Net、ISTA-Net+和VS-Net网络提升明显,在高加速因子下对组织细节恢复能力更强.该网络鲁棒性强,更适合对临床扫描数据进行快速高质量重建,可拓宽MRI应用范围.

基于自激振荡原理的双线圈磨粒检测技术研究

为满足实际工业应用的需要,基于LC自激振荡,提出双线圈式磨粒检测技术。首先建立了等效电路模型,其次引入磁场均匀度系数的概念并利用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了管道域中的磁场分布及金属颗粒通过线圈时的输出响应,最后制作传感器进行试验。结果显示,该传感器管道域的磁场均匀度系数达0.91以上,可通过检测电压、频率的变化获取磨粒信息。研究结果为电感式磨损传感器研发提供一种新思路。