Circuit-field coupled finite element analysis method for an electromagnetic acoustic transducer under pulsed voltage excitation

This paper presents an analytical method for electromagnetic acoustic transducers （EMATs） under voltage excitation and considers the non-uniform distribution of the biased magnetic field. A complete model of EMATs including the non-uniform biased magnetic field, a pulsed eddy current field and the acoustic field is built up. The pulsed voltage excitation is transformed to the frequency domain by fast Fourier transformation （FFT）. In terms of the time harmonic field equations of the EMAT system, the impedances of the coils under different frequencies are calculated according to the circuit-field coupling method and Poynting＇s theorem. Then the currents under different frequencies are calculated according to Ohm＇s law and the pulsed current excitation is obtained by inverse fast Fourier transformation （IFFT）. Lastly, the sequentially coupled finite element method （FEM） is used to calculate the Lorentz force in the EMATs under the current excitation. An actual EMAT with a two-layer two-bundle printed circuit board （PCB） coil, a rectangular permanent magnet and an aluminium specimen is analysed. The coil impedances and the pulsed current are calculated and compared with the experimental results. Their agreement verified the validity of the proposed method. Furthermore, the influences of lift-off distances and the non-uniform static magnetic field on the Lorentz force under pulsed voltage excitation are studied.

基于自抗扰的永磁同步电机附加谐波损耗抑制方法

针对永磁同步电机在变频器供电时,由时间电流谐波所引起的附加谐波损耗过大及难以在电机初始设计时被考虑到的问题,采用场路耦合联合仿真模型来计算电机的附加谐波损耗,并以4台现有的表贴式永磁同步电机为例,通过实验验证了场路耦合联合仿真模型的有效性,为电机设计之初附加谐波损耗的选取,以及后续温升的计算提供了前期计算的方法。同时提出一种基于自抗扰技术的附加谐波损耗抑制方法,设计一种适用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器,并从理论上验证了自抗扰控制器对于时间电流谐波的抑制作用,以及针对自抗扰控制器参数众多调参困难的问题,给出一种参数整定方案。最后通过引入所设计的自抗扰控制器,对电机的时间电流谐波进行计算和分析,使电机的附加谐波损耗降低了68.1%,为同类型电机的附加谐波损耗抑制提供了一种有效的方法。

地磁感应电流作用下三相五柱变压器无功功率定量分析

无功功率作为电力系统运行重要指标,其波动影响电力设备的安全稳定运行以及整个系统的电压稳定。为分析三相五柱变压器在地磁感应电流作用下的无功功率分布,根据变压器的实际参数,通过串联电阻及电压补偿的办法,建立三相五柱变压器磁场-电路耦合有限元计算模型,对不同大小地磁感应电流下的变压器无功功率进行定量分析。通过计算三相五柱空载及额定负载下无功功率的分布以及单相自耦变压器无功功率,发现随着地磁感应电流的增大,三相五柱空载及负载无功功率特性曲线均大体呈线性增加,且单相自耦变压器相较于三相五柱变压器无功曲线对于地磁感应电流更为敏感。并结合不同芯柱结构变压器的磁路特点,分析了无功差异变化的原因。研究结果可为地磁感应电流作用下三相五柱变压器稳定运行提供参考依据。

经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响

背景:经颅磁声电刺激是一种基于磁声耦合电效应的无创、高精度脑神经聚焦刺激方法,可调节神经节律振荡活动,从而影响大脑的运动、认知等功能。目的:探究经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响。方法:①动物实验:采用随机数字表法将24只Wistar大鼠随机分为4组,每组6只:正常对照组不进行任何干预;正常刺激组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电刺激(空间峰值脉冲平均强度为13.33 W/cm^(2),基波频率为0.4 MHz,基波周期数为1000,脉冲重复频率为200 Hz);模型对照组、模型刺激组通过腹腔注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶建立帕金森病模型,造模成功后,模型对照组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电假刺激,模型刺激组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电刺激,每天刺激时长2.0 min,刺激结束停留8-10 min后,采集大鼠执行T迷宫过程中局部场电位信号并同时记录行为学正确率,对比分析各组局部场电位信号能量的时频分布情况和行为差异,当大鼠正确率连续3 d高于80%后停止刺激实验和T迷宫实验。②建模仿真实验:构建经颅磁声电刺激下皮质-基底神经节回路模型,分别改变超声发射周期(5,10,20 ms)、超声发射占空比(30%,50%,90%)和感应电流密度(20,50,100μA/cm^(2)),比较不同刺激参数下健康与帕金森病大鼠beta振荡的功率谱密度值。结果与结论:①动物实验:正常对照组大鼠的空间学习能力强于模型对照组(P<0.001),正常刺激组大鼠的空间学习能力强于正常对照组(P<0.05),模型刺激组大鼠的空间学习能力强于模型对照组(P<0.01);正常对照组beta振荡能量分布较为集中,正常刺激组较正常对照组beta振荡信号能量有所降低,模型对照组与模型刺激组beta振荡能量广泛分布且能量值显著高于正常对照组、正常刺激组,并且模型刺激组beta振荡信号能量明显低于模型对照组;②建模仿真实验:不加刺激时,健康大鼠beta频段功率谱密度峰值(30 dB)显著低于帕金森病大鼠(55 dB);施加经颅磁声电刺激后,两组大鼠beta频段功率谱密度值普遍降低;beta频段功率谱密度峰值与超声发射周期呈正相关、与感应电流密度呈负相关,当超声发射占空比为50%时功率谱密度峰值最低;③结果表明:经颅磁声电刺激可抑制健康与帕金森病大鼠的beta振荡,进而改善大鼠的运动功能与决策认知功能。

不同稳态工况对同步调相机单相短路后暂态温升的影响

同步调相机可在系统故障时为特高压直流换流站提供暂态无功支持,以保持系统电压稳定,防止直流换相失败,但调相机的高无功输出也会导致其温升增加,运行能力受限。系统故障前同步调相机的初始工况是影响其暂态温升和运行能力的一个重要因素,为研究系统低电压时调相机暂态温升与初始工况之间的关系,该文将调相机的电磁场、温度场与电网模型耦合,计算调相机不同稳态工况下的定转子损耗和温度分布;以线路单相短路故障引起的系统低电压为例,研究调相机初始工况对暂态温升的影响。在考虑各结构件最大容许温度的条件下,揭示调相机单相短路持续时间随初始工况的变化规律。研究结果为提升调相机在系统低电压下的暂态运行能力提供技术支持。

基于FPCB绕组的导管泵用电动机设计及损耗分析

基于无槽无刷直流电动机具有体积小、功率密度高、无齿槽转矩的特点,采用柔性印刷电路板(FPCB)技术设计了一种导管泵用无槽无刷微型直流电动机,提出了基于3D多物理场耦合模型分析方法,对导管泵用无槽无刷微型直流电动机进行了损耗分析和优化设计.结果表明:导管泵用无槽无刷微型直流电动机的铜损占整个电动机损耗的88%左右,是导致电动机发热的主要原因;在温度场仿真中,温度变化会改变电动机损耗,影响电动机输出转矩;在流场仿真模型中,电动机温度会使人体血液温度升高,影响血液相容性;流动的血液会带走部分热量,降低电动机温度;绕组优化后的导管泵用电动机输出转矩得到提高,损耗得以降低.

浅谈安培环路定理的使用

通过应用安培环路定理求解了有限长载流直导线的磁感应强度,说明了“有限长度”的数学条件和物理背景.从麦克斯韦方程的积分形式和微分形式,讨论了安培环路定理的使用场景,阐明了非对称电流密度分布情况下求解稳恒磁场的基本思想——边界条件确定磁场,并拓展至应用高斯定理求解非对称电荷密度分布静电场问题.

核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗研究

为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗特性,推导了核电半速汽轮发电机空载运行时励磁绕组匝间短路故障下,定子分数次谐波环流产生的合成磁动势表达式,分析合成磁动势相对于转子的转速,揭示了转子表面产生涡流的原因以及涡流的频率特性。结合涡流损耗计算方法,以一台核电半速汽轮发电机为例进行了仿真验证。在此基础上,对核电半速汽轮发电机励磁绕组不同位置发生相同程度匝间短路,以及励磁绕组发生不同程度匝间短路过程进行了仿真,计算了转子各阻尼条及槽楔中的涡流及涡流损耗,揭示了励磁绕组匝间短路时影响转子阻尼条及槽楔中涡流和涡流损耗的因素。为核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障时,分析转子发热的影响因素提供了理论基础。

改进残差网络的逆变器开路电路故障诊断

针对传统三相电压源逆变器开路故障诊断方法存在准确率低和鲁棒性差的问题,提出一种用于故障诊断的改进二维卷积神经网络优化方法.该方法首先引入一种新的数据预处理方式,通过马尔可夫变迁场(MTF)将原始时域电压信号数据转换成二维灰度图像,有效保留特征的时空关系;其次,提出采用并行注意力机制对卷积神经网络ResNet18特征提取层提取的特征分别进行通道和空间特征筛选,并完成有效特征融合;最后,融合的特征经ResNet18全连接层和输出层得到故障分类结果.实验结果表明,所提出的改进故障诊断方法能将诊断精度提升至99.80%;在不同噪声条件下均能保持90%以上的分类准确性,验证该方法可有效提高逆变器开路故障诊断性能和鲁棒性.

一种半桥LLC高压电源设计与实现

设计一种基于半桥LLC谐振变换器的高压电源,其基本结构包括逆变电路、谐振电路、倍压整流电路和反馈控制电路,可用于微波功率模块集成电源。为实现高压电源的高效率,详细分析了半桥LLC谐振电路中场效应管零电压开启的实现条件,并给出了实现该条件所需电路关键参数的计算方法。通过计算机仿真辅助优化电路参数,降低了场效应管和变压器的损耗。最后,研制了一台高压电源原理样机,其输出电压为-3000 V,满载输出功率为300 W,在245~300 V输入电压范围内效率大于96%,峰值效率为97.5%。

基于双电容器耦合和线性补偿的高稳定度平顶脉冲强磁场调控系统分析与设计

平顶脉冲磁场具备脉冲磁场强度高和稳态磁场稳定度高的双重优势,是现代物理科学研究的重要工具。为满足脉冲场核磁共振、I-V测量等科学实验对平顶脉冲磁场高稳定度的需求,该文提出基于双电容器回路耦合放电和线性补偿的平顶磁场调控方案。为此,理论分析双电容器回路耦合放电过程,建立配置主/辅回路电容电压和放电时序的优化方法,基于IGBT有源区的流控特性,设计线性调节补偿回路和前馈反馈相结合的控制器,研制与主磁体解耦的1 T补偿磁体,对双电容器回路耦合放电产生的背景磁场进行高精度调控,最终实现了强度为45.2 T、持续时间为8 ms以及稳定度为0.02%的平顶脉冲磁场,满足相关固态核磁共振等科学实验需求。

车用永磁无刷直流电机弱磁控制仿真研究

永磁无刷直流电动机的转矩与转速会对电机的控制精度造成影响,导致电机弱磁控制效果差。为了提升整体控制性能,提出车用永磁无刷直流电机弱磁控制仿真方法。分析车用永磁无刷直流电机弱磁转矩特性,获取电机电磁转矩关系。根据获取结果建立永磁无刷直流电机弱磁控制系统,利用该系统控制电机弱磁的电磁转矩与运行效率,以此实现整体控制。实验结果表明,通过对所提方法开展电机运行效率测试、电机运行稳定性测试,验证了上述方法的有效性。

航空飞行器用300 kW高速永磁同步电机优化设计

航空飞行器用高速永磁同步电机损耗密度高、散热条件差,脉宽调制电压供电产生的损耗可能会导致显著的温升,加剧Halbach磁体的退磁风险,影响电机的安全运行。针对上述问题,提出基于Nelder-Mead法的高速永磁同步电机多目标优化设计方法,以电机损耗和温升为优化目标,使用场路耦合有限元分析法和解析法计算电机在T型三电平变流器供电下的损耗,进而计算电机温升。根据寻优算法搜索最优设计区域,获得优化设计方案。分析Halbach磁体内的磁密分布和涡流损耗,对磁体进行优化设计,从而抑制退磁和损耗。设计并制造一台300 kW、30000 r/min高速永磁同步电机,仿真和实验结果表明,新提出的设计方法能够快速实现多目标寻优,并有效抑制退磁。

双级PIN限幅器的微波脉冲响应机理及规律

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型,搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型,利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真.在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真,并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结.仿真结果表明,当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时,第二级PIN二极管的温度变化幅度较小.限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系,发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小;发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低,随幅值的变化存在极大值点;限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.

基于WOA-SVR的关键核心技术创新生态系统脆弱性预警研究——以集成电路技术为例

双循环格局下,创新生态系统脆弱性成为制约关键核心技术攻关的瓶颈,对其有效预警是实现技术突破、解决“卡脖子”问题的关键环节之一。结合集成电路技术发展现状,构建包含群落、资源、经济、环境4个子系统的关键核心技术创新生态系统,同时建立改进WOA-SVR的脆弱性预警模型,对系统脆弱性进行分级。结果表明,集成电路技术创新生态系统综合脆弱指数由2005年的4.28下降到2020年的2.66,警度从较重警情降至中警;经济子系统作为创新生态系统最活跃的子系统,其脆弱性指数下降缓慢,仍处于较高脆弱度水平。对4个子系统指标间耦合关系进行剖析发现,适应能力指标对降低系统脆弱性指数具有较大影响,政府和企业可据此建立防范机制。

Camellia密码算法S盒的量子电路优化

S盒是Camellia密码算法重要的非线性组件。使用Toffoli门、CNOT门和NOT门构建Camellia密码算法S盒的量子电路。为了降低计算的复杂度,根据S盒的代数表达式,将有限域GF(2^(8))中的乘法求逆运算同构到GF((2^(4))^(2))的复合域中的运算,构造出Camellia密码算法S盒的量子电路。在优化方面,将仿射矩阵、同构矩阵以及一组CNOT门对应的矩阵先进行乘法操作,再进行综合,使用DORCIS工具优化GF(2^(4))中乘法求逆的量子电路,运用W-Type算法优化矩阵运算的量子电路。最终得到的S盒的量子电路只需使用20个量子比特,52个Toffoli门、178个CNOT门和13个NOT门,Toffoli深度为40,电路深度为130。该量子电路的正确性通过IBM公司的Aer模拟器进行验证。相比于已有的结果,文中使用的量子资源有了进一步的减少。

无刷交流励磁机换相角过大问题的研究与优化

为了提高交流励磁机的励磁性能,通过在交流励磁机的定子磁极上添加阻尼绕组,改善换相角对旋转整流器交流侧和直流侧电压电流的影响,减少换相角造成的负面影响。利用电路等效分析方法,对换相过程进行等效分析,利用有限元仿真软件结合场路耦合的方法来获得交流励磁机的输出电流电压波形。由电路等效以及场路耦合分析结果可以发现,换相角的存在会使输出的电压电流质量变差,通过在定子磁极上添加阻尼绕组,可以有效减小交流励磁机的换相角,同时提高电能质量。

一体成型电感线圈结构与直流叠加性能关联分析

基于有限元法对一体成型电感(典型规格6.6 mm×6.6 mm×3 mm)的磁场分布进行仿真分析,根据其磁场分布特点提出了电感等效磁路模型,并分析了线圈结构参数对一体成型电感的感值、直流叠加特性的影响。结果表明,在保持线圈匝数为8.5不变的条件下,线圈直径D由2.0 mm增至5.2 mm时,电感内部的总磁阻先减小后增大、感值相应地先增大后减小,在D=4.8 mm左右时总磁阻最小、感值最高;在使用相同磁心材料的情况下,线圈结构参数为N=10.5、D=3 mm(N10D3)和N=8.5、D=4 mm(N8D4)的电感具有相近的初始感值,但N8D4结构电感内部磁场分布比N10D3结构更均匀,表现出更优的直流叠加性能。

基于坐标变换辅助势的轴对称电磁场仿真

将轴对称静磁场的坐标变换辅助势法推广应用到包含绞线圈、非线性磁导率铁芯、外电路及运动耦合的轴对称电磁场有限元分析中,并通过国产低频电磁仿真软件INTESIM-Emag编程实现。数值算例表明,基于坐标变换辅助势法的技术方案可获得较高的计算精度。某轴对称电磁阀的动态性能仿真说明该方案对工程问题仿真的适用性和准确性。

转子温度空间分布差异诱发永磁电机局部失磁特性研究

永磁材料磁特性受工作温度影响较大,高工作温度下存在的不可逆失磁现象是永磁电机高可靠性设计的主要瓶颈。针对内置式磁路结构的高功率密度永磁电机用钕铁硼永磁材料的不可逆失磁问题,基于电机全域空间损耗、温度分布的差异,该文提出一种永磁体局部失磁分析模型与特性计算方法。通过磁体虚拟分块法建立基于温度、退磁率等变量的永磁材料磁特性分析模型,利用电磁场和温度场双向耦合的三维多物理场计算方法,得到电机转子永磁体损耗、温度和局部失磁的空间分布特性。最后,通过对一台115 kW、8极永磁电机样机转子永磁体温度和转子表面磁场的实验测试,验证了分析模型与计算方法的准确性,为永磁电机局部失磁问题研究及精细化防失磁设计提供依据。