有限元–边界元耦合法在运动导体涡流场中的应用

基于A,φ-A法和库伦规范,推导了导体区域和非导体区域的有限元方程及自由空间的边界元方程,通过引入交界面条件,实现了将边界元矩阵等效为有限元矩阵求解的有限元-边界元耦合法(finite element and boundary element coupling method,FE-BECM)。将FE-BECM应用于TEAM-7问题的计算,验证了该方法处理开域涡流问题的有效性。当FE-BECM应用于运动导体涡流场(moving conductor eddy current,MCEC)问题时,用有限元离散源电流区域和运动部件,用边界元离散自由空间并关联相互独立的有限元区域。该方法克服了常规有限元法使用1套网格处理运动问题所遇到的麻烦。使用有限元-边界元耦合法对单级线圈炮问题进行了计算,验证了算法处理运动导体涡流场问题的有效性。

非重叠Mortar有限单元法在运动导体涡流场计算中的应用

使用非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping mortarfinite element method,NO-MFEM)对2维轴对称滑动问题进行了计算。在处理运动问题时,NO-MFEM将求解区域分解为运动和静止2个子域。在子域交界面上,NO-MFEM不要求节点逐点匹配,在运动发生后只需要改变运动部件所在区域节点的坐标,从而克服了传统有限元法(finite elementmethod,FEM)在处理运动问题时需要不断进行网格重剖的麻烦。该文首先介绍了NO-MFEM的基本原理;说明了适合于该方法处理的运动问题的类型;通过2维静电场问题分析了NO-MFEM的非协调误差;使用NO-MFEM对感应线圈炮模型进行了计算,分析了发射过程中不同时刻空间磁场和电枢涡流的分布,通过与实验结果和其他数值仿真结果进行对比,验证了NO-MFEM在处理运动导体涡流场(moving conductor eddy current,MCEC)问题上的有效性。

磁体与非磁性运动导体相互作用之讨论

通过分析磁体与非磁性运动导体间的相互作用,发现了一种由非磁性运动导体驱动永磁体转动的非接触驱动方式.从分子环流模型出发,利用毕奥-萨伐尔定律,给出了所用矩形永磁体的磁场分布解析表达式,对运动导体处于永磁体下方5 mm处时永磁体的受力做了定量计算.对相互作用中的磁悬浮效应做了新的解释,澄清了PASCO公司对"磁悬浮实验装置"中由电磁感应产生的物理现象在原理解释上的模糊之处.

有限解析单元法求解运动导体涡流场

使用线性有限元法求解运动导体涡流场，当单元Ｐｅｃｌｅｃ数大于１时数值解产生伪振荡。为克服这一困难，提出一种新的“有限解析单元法”，其基本思想是：在单元内构造满足节点条件的局部解析解或局部近似解析解作为形状函数，使用加权余数法建立有限元方程。利用此方法研究了一维和二维运动导体时谐涡流问题，得到了很好的效果，初步验证了该方法的有效性。

运动导体感应涡电流分布的解析计算与仿真验证

在电磁应用中,分析导体在电磁场激励作用下感应涡电流的分布有利于深入理解导体与激励源之间的相互作用。因其复杂性,运动导体在电磁场作用下涡电流分布的规律尚未得到充分研究。采用二维傅里叶变换方法,推导出圆形通电激励线圈作用下导电平板涡电流分布的积分形式表达式;该表达式与线圈的激励频率、导体的材料特性、形状及运动速度等参数有关。计算并分析了在相同线圈激励条件下,导体以不同速度运动时,表面涡电流密度分布特点,总结了导体运动速度对涡电流分布的影响规律;并用有限元方法对解析计算结果进行了验证。所采用的解析方法具有方便、快速的优点,该方法也可以用于其他涡电流问题的分析计算。

运动导体-介质周期结构的电磁散射和电磁力

应用麦克斯韦理论和狭义相对论的基本原理,对运动方向平行于分界面的匀速运动导体-介质周期结构进行了研究,分析推导了相关的电磁散射和电磁力表达式,并通过数值计算绘制了电磁力随有关参量变化的曲线.这些结果可以应用于一大类与电磁相互作用有关的连续运动部件,如微电子机械系统中的传感器和执行器.

径向基无单元算法求解二维运动导体涡流电磁问题

将径向基点配置法应用于求解运动导体涡流电磁问题,提出一种基于运动坐标系的叠加径向基点配置算法来求解描述瞬态涡流磁场的对流扩散麦克斯韦方程。求解域内的磁场被视作由激励电流与感生涡流2种电流所产生磁场的叠加,并在运动坐标系下分别用径向基函数来拟合,根据径向基点配置法的控制方程呈线性这一特点,对其进行解耦并构造时域迭代来求解。这样就把导体的运动转化为坐标系之间的相对运动,迭代过程中在各自坐标系下的径向基模型始终保持不变,避免了因导体运动造成的模型重铸。为了验证该算法的有效性,求解了基准问题TEAM workshop problem 28以及一个电磁线圈弹射系统的动态过程,所得结果与文献中的实验结果相符合。

运动导体中电磁场计算的迎风有限元法

运动导体中电磁场控制方程为一对流扩散型微分方程，为克服此类方程的Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元解在网格Ｐｅｃｌｅｔ数大于１时出现的伪振荡同时克服Ｈｅｉｎｒｉｃｈ迎风有限元法对扩散项处理的不合理性，提出了一种修正的Ｈｅｉｎｒｉｃｈ迎风有限元法，并应用于若干运动导体电磁场的有限元分析。

磁体与运动导体相互作用的实验研究

研究了磁体与运动导体之间的相互作用,运用自制的仪器,对磁悬浮力、磁阻尼力以及感应磁场的磁感应强度等物理量进行了测量,并利用双梁力传感器对磁体前后两侧的受力进行了同步测量,观察到了两侧作用力的变化行为.通过对涡流与磁场相互作用过程的分析,建立了用迭代过程描述的理论模型,得到感应磁场的方向随角速度增加发生旋转的结论,并导出了这些量与导体转动角速度之间的关系式.

磁场中运动导体的电荷分布

本文运用麦克斯韦方程组和导体的欧姆定律,研究计算了在磁场中匀速直线运动和匀速旋转的导体中的电荷分布,得出在磁场中做匀速直线运动的导体内部没电荷分布和匀速旋转的导体内部有电荷分布的结论,并指出一般教科书中对该问题描述的错误.

有关运动超导体电磁性质的几点讨论

在伦敦方程和电磁场的洛伦兹变换的基础上讨论了在磁场中运动的第一类超导平板的电磁性质。结果表明临界磁场将随超导体的速度的增加而减小 ;在穿透层内有一指数衰减的屏蔽电荷分布 ,其符号与超导体表面由运动感生的电荷相反、数量相等。屏蔽电荷屏蔽了表面电荷产生的感应电场 ,使电场和磁场一样在穿透层内指数衰减 ,在远离表面的内部 。

运动薄壳体上电磁场平均边界条件

考虑到采用电磁场精确边界条件处理电磁屏蔽问题的复杂性 ,为简化电磁屏蔽边值问题的分析及计算 ,本文利用局部平面波近似法 ,导出了运动薄导体壳上电磁场的平均边界条件 ,计算结果表明用该边界条件完全可以取代电磁场的精确边界条件 .

洛仑兹力对运动电荷不做功的证明

动生电动势起源于磁场对运动电荷的作用.洛仑兹力的一个基本性质是对运动的电荷不做功.对运动电荷不做功的洛仑兹力作为回路电源的工作过程是有必要讨论的一个问题.

改进电流丝法及其在感应线圈炮场路结合分析中的应用

对线圈炮路方法——电流丝法进行了修改,通过对激励线圈进行剖分提高了等效网络中的互感计算精度,使电流丝法能够更准确地分析线圈炮的性能。为了验证修改后电流丝法的有效性并对线圈炮的电磁暂态进行研究,将电流丝模型计算得到的激励线圈电流加载到对应的场模型中,实现对线圈炮的场路结合分析。线圈炮的场模型基于三维组合网格法建立,组合网格法使用2套网格分别离散静止和运动区域,2套网格之间没有拓扑约束从而克服了常规有限元法在处理运动导体涡流场问题时需要重剖分的麻烦。通过电流丝法改进前后场路结合法计算结果的对比可知,对激励线圈进行剖分可以提高场分析和路分析结果的一致性。提出的场路结合法使感应线圈炮的精细化分析成为可能。

感应线圈炮性能的场路结合分析

线圈炮性能分析对于线圈炮的实验研究和电磁结构优化非常重要。本文使用电流丝模型对线圈炮进行路仿真,电流丝模型将线圈炮控制方程归结为非线性变系数常微分方程组的初值问题,路模型易于编程实现,从中可发现系统性能对可变参数的依赖关系。使用组合网格法建立线圈炮场模型,组合网格法使用两套相互独立的网格对场域进行离散,克服了常规有限元法在处理运动电磁问题上需要重剖分的麻烦。文中使用路模型和场模型相结合的方法对三级同轴感应线圈炮进行了仿真,实现了对线圈炮这类复杂的运动导体涡流场的三维场分析,获得了线圈炮发射过程中空间磁场分布和电枢涡流分布。通过对比两种模型的仿真结果,证实了它们的一致性和有效性。

利用子域法的永磁涡流联轴器解析建模分析

永磁涡流联轴器能够在无机械接触和磨损的情况下实现转矩的传输,因此广泛适用于许多工业应用场合。该文推导了运动导体涡流问题分别在固定坐标系和运动坐标系下的尤拉表述和拉格朗日表述,证明了两种表述的统一性;基于子域分析方法,提出了一种包含永磁体阵列、气隙、导体和导体背铁四个区域在内的永磁涡流联轴器场域解析模型,对该多层场域边值问题进行了求解,并推导出一种非常简洁的傅里叶级数形式的转矩表达式;为了确保在达到转矩设计要求前提下尽可能节约永磁体材料使用量,基于所建立的永磁涡流联轴器解析模型,提出一种永磁阵列优化方法。通过算例分析,并比较三维有限元分析和实验结果,验证了文中所提出的解析模型及永磁阵列优化方案的有效性。

平面电磁波在任意方向运动的理想导体表面的反射

研究平面电磁波（ＴＥ波或ＴＭ波）从一种介质入射到以任意方向运动的理想导体表面时，发生的反射现象．从Ｍａｘｗｅｌｌ方程组、运动界面的边值关系出发，得到了反射波电磁场矢量与入射波电磁场矢量的关系式和反射系数．讨论了入射波、反射波和运动导体之间的能量平衡关系以及电磁波对运动导体的作用力，得到一些新的结论．

非接触驱动方式中永磁体转动行为的实验研究

矩形永磁体与铝盘构成的非接触驱动系统中,在铝盘定速转动条件下,对通过电磁感应所驱动的磁体转动角速率、角加速度同时进行检测,发现角速度有周期性的微小波动,而角加速度在一负的最大值与正的最大值间周期性地变化,二者周期相同.从永磁体的分子环流模型出发,运用毕奥-萨伐尔定律,场叠加原理,导出了磁体绕中心转轴旋转到任意位置时,导体中的磁场分布解析表达式,依次对磁体角加速度与磁体受到的电磁驱动力矩进行定量计算,以驱动力矩与空气阻尼力矩的共同作用解释了角速度出现周期性微小波动与角加速度正负等幅变化的原因,通过与实验测试结果进行比较,验证了分析结果的正确性.