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关键词： 电磁发射   高速率电磁场时空分布   等效电导率   磨损   数值计算  

摘要： 相对于传统发射技术,电磁发射技术有很多优点,如具有初速度高,动力大,灵活可控和环保等,在生活、军事和商业等领域得到广泛的应用。但是由于其极端工况（温升速率不小于10～5K/s,应变速率不小于10～4/s,电流密度不小于10～8A/m）和电枢高速度的影响,为电磁发射系统动态参数准确数值模拟带来极大困难。本文基于电磁发射系统电磁场及温度场理论,采用移动区域等效电导率的方法,建立了考虑轨道温升及接触电阻的电磁发射系统高运动速率电磁场数值计算模型,数值分析了电磁发射系统电磁场的时空分布,进一步数值分析了考虑热应力电磁发射过程中电枢磨损情况。本文主要研究内容如下: （1）基于电磁场理论和温度场控制方程,对电磁发射系统进行了数值建模;要保证电磁发射期间枢轨间良好的接触,枢轨间的初始预紧力满足“Marshall”法则;并考虑了电枢高速运动过程中的电流趋肤效应。基于建立的电磁发射系统数值模型,采用动网格的方法对电磁发射系统电磁场进行有限元数值求解,对电磁发射系统电磁场数值计算产生的振荡原因进行分析。 （2）针对电磁发射系统电磁场有限元数值求解时解的振荡问题,基于移动区域等效电导率的方法,建立了电磁发射系统三维电磁场数值模型。首先对电枢移动区域建立电枢区域判别公式,判断铝电枢的移动位置,将铝电导率与其相乘,则可实现移动区域等效电导率等效实际电枢移动。之后,数值计算了电磁发射系统电磁场,可以有效避免电枢高速运动时数值求解磁场时带来的数值振荡问题,此模型还考虑了轨道温升和接触电阻的影响。 （3）电磁发射过程中考虑温度对枢轨磨损的影响时,除了考虑对材料特性的影响时,还应考虑材料热膨胀产生的热应力的影响。因此,本文基于Archard磨损模型,建立了考虑热应力的磨损数值求解模型,最后数值分析了枢轨接触力、温度和磨损情况。 本文基于移动区域等效电导率的方法对电磁发射系统电磁场时空分布和考虑热应力下电磁发射电枢磨损进行数值分析,为优化枢轨结构和提高枢轨使用寿命及枢轨发射效率提供理论参考。

关键词： 配电架空线路   电磁场逆问题   多目标寻优   电参量反演   非接触式测量  

摘要： 随着国家电网建立坚强智能电网、推进电网设施建设等一系列发展方针的相继提出,电网架设规模不断扩大。配电线路作为承担国民经济和社会发展用电的重要基础设施,准确可靠地监测其运行状态,避免各种因素下的线路事故,对电网的安全稳定运行具有重要意义。交流配电线路运行电压、电流的幅值和相位等参数能够直接反映线路的运行状态,同时也是评估电能质量、计算传输功率、判断无功补偿投切容量、启动继电保护和进行故障诊断的主要依据。当前配电线路的电参量(电压、电流)检测主要是通过接触式互感器来实现,但常用的互感器存在灵活性差、安装程序复杂、绝缘要求高、容易造成铁磁谐振等诸多问题。因此寻求一种安全、有效的非接触式配电线路电参量检测方法变得十分重要。针对上述问题,本文利用非接触式测量的安全性和便捷性,将电磁场逆问题的相关理论应用到配电架空线路电参量检测中,进而研究如何通过配电线路的工频电磁场反演其电参量信息。研究内容主要分为以下四个部分:首先,建立了配电架空线路在不同情况下的悬链线方程,通过有限元仿真探究线路下方空间近地处的电磁场分布规律,为后续电参量反演测量点的布置提供参考。同时,依据配电线路源-场关系搭建了配电架空线路三维工频电磁场的数学计算模型。其次,在NSGA-Ⅲ算法的基础框架下,引入差分算子和自适应算子,提出基于差分算子的改进自适应NSGA-Ⅲ-DE优化算法,并结合TOPSIS法解决了反演解集的筛选问题,提高了反演方法的求解效率。再次,围绕如何通过配电架空线路周围的电磁场数据反演线路电参量信息,进行理论推导并由此建立反演寻优模型。将改进算法应用到配电架空线路多种运行状态下的电压和电流反演算例中,分析验证本文所提出反演方法的有效性和准确性。最后,搭建交流配电线路模拟试验平台。通过现场数据测量和电参量反演分析,验证了本文所提出的电参量反演方法能够有效地检测配电架空线路的运行状态,具有良好的检测性能。

关键词： 悬挂式永磁磁悬浮列车   永磁悬浮   直线电机   电磁场  

摘要： 悬挂式永磁磁悬浮列车是一种新型中低速永磁磁浮轨道交通系统,它是通过永磁体之间的排斥力、直线电机牵引和转向架实现零功率悬浮、列车运行和导向。列车系统中存在许多电气、电子设备以及强永磁体,这些设备和磁体产生的电磁能量会通过向外辐射或传导的方式对列车上的设备和仪器以及轨道附近的设备产生干扰。悬挂式永磁磁悬浮列车的各项标准和电磁场空间分布表征方法在世界范围内尚未有成熟的相关技术标准可供参考。因此,对悬挂式永磁磁悬浮列车磁场分布规律进行研究具有重要意义。本文以悬挂式永磁磁悬浮列车黄金“红轨”试验线为研究对象,分析悬挂式永磁磁悬浮列车的磁场分布情况。本文首先对强永磁体组成的悬浮系统的磁场进行分析,完成了悬浮结构空间磁场分布的理论分析。在Ansys Electronics Desktop软件中建立悬浮系统电磁仿真模型,通过对悬浮系统逐步简化,以及对悬浮系统内单组及多组悬浮结构的空间磁场分布进行求解,得到悬浮系统的磁场变化趋势和不同悬浮高度下的磁感应强度,以及磁场分布区域。结果表明,悬浮系统的磁场呈中间大两边小的分布特点,在与悬浮结构的距离大于60mm的区域,悬浮系统磁场的影响迅速减弱。其次,针对空心式Halbach长定子永磁同步直线电机构成的驱动牵引系统的磁场分布情况进行研究。通过建立永磁同步直线电机数学模型,计算出电机的磁链方程和工作电流。利用Maxwell软件建立直线电机二维和三维模型,分别对直线电机空载和满载条件下的气隙中心磁感应强度进行数值求解计算,并对直线电机外部空间磁场的变化趋势进行分析。结果表明,直线电机产生的电磁场能量主要集中分布在电机运动方向,磁场能量分布均匀,气隙中央的磁感应强度在0-1.1T范围内是周期变化的,且直线电机外部空间磁场辐射范围在200～250mm,随着与直线电机距离的增加,直线电机的磁场产生的影响逐步减弱。最后,本文采用磁场测试系统对黄金“红轨”试验线的悬浮系统和直线电机实际磁场进行测量。将测试结果与数值计算分析结果进行对比,悬浮系统的磁感应强度最大误差为9.6%,直线电机的最大磁感应强度误差为10%,数值计算分析结果与实验结果一致,验证了针对悬浮系统和直线电机电磁场数值分析方法的有效性。本文的研究为悬挂式永磁磁悬浮列车空间电磁场表征方法的发展奠定基础,为列车电磁兼容设计的完善提供参考。

ISBN: (纸本)9787040602432

关键词： ACFM   缺陷方向   旋转交流电磁场   铁磁材料   有限元仿真  

摘要： 交流电磁场检测(Alternating current field measurement,ACFM)技术因其机制明确、效率高,并且不需要任何耦合剂而备受关注。但是ACFM仅当缺陷方向与感应电流垂直时,具有较高的检测灵敏度。实际铁磁材料缺陷的大小、方向往往是未知的,因此采用ACFM方法存在误检、漏检的可能。针对传统ACFM技术对铁磁材料缺陷方向的检测限制,本文以ACFM为基础,引入旋转磁场作为ACFM的激励磁场,实现对任意方向的缺陷检测。主要研究内容如下:(1)基于经典电磁场理论,研究了ACFM检测与漏磁检测原理,分析了不同方向缺陷的外部磁场扰动机理,得出了缺陷方向与检测模型的匹配规律。面向任意方向铁磁材料检测的需求,引入旋转磁场作为探头的激励磁场,并对旋转交流电磁场下试件内部感应电流与磁场分布规律进行分析,为仿真与检测系统设计奠定理论基础。(2)借助有限元仿真软件,建立基于旋转交流电磁场的无损检测仿真模型。通过研究试件表面缺陷与感应电流的关联规律,以及缺陷上方磁感应强度的变化规律,论证了旋转交流电磁场对铁磁材料缺陷检测的可行性。通过仿真分析,研究了探头参数对检测信号的影响因素,给出了探头尺寸、激励线圈参数以及探头的提离值。(3)研究了不同方向缺陷检测信号的变化规律,得出对同一尺寸缺陷,其方向与By-Bx曲线倾斜角成线性关系,而By-Bx曲线长短轴不会随缺陷方向变化而变化的规律,提出以By-Bx曲线倾斜角判定缺陷方向,以By-Bx曲线长短轴长度判断缺陷尺寸的判定缺陷方法。同时基于By-Bx曲线特征缺陷判定方法,研究了不同尺寸缺陷和不同材料的相对磁导率与By-Bx曲线特征参数的关联规律。仿真证明了旋转交流电磁场对不同尺寸的异向缺陷,以及不同材料的缺陷检测的可行性。(4)搭建基于旋转交流电磁场的铁磁材料无损检测的实验平台,并对不同方向、宽度、深度的缺陷进行检测与数据分析。实验结果表明,基于旋转交流电磁场的无损检测系统,能够实现对任意方向的缺陷进行有效检测,同时为缺陷尺寸的判定提供了依据,其最大检测深度可达12mm。

关键词： 风力发电机   模块化设计   定转子偏心   容错运行   故障检测  

摘要： 风力发电是绿色低碳的再生能源领域中相关技术最为成熟、最有规模开发潜力以及商业化前景的一种发电方式,因此得到了世界各国越来越多的关注。与陆上风电相比,海上风电风力资源稳定、风速更高、发电量大、不占用陆地等优点,同时,更加靠近电力负荷中心,使得风电的并网和消纳更加容易,成为了风力发电领域中极为重要的发展方向。但海上风电机组容量太大,导致安装和维护成本偏高,成为制约其快速发展的突出问题。定转子模块化设计能够大幅降低风电机组的制造、运输、吊装和维护成本,同时具备较强的容错能力。定转子模块化装配间隙必然会对发电机的运行造成影响,同时模组故障后,发电机能否安全稳定运行也是发电机运行的关键。针对上述问题,本文重点研究风力发电机模块化装配间隙、定转子不同心对风力发电机的电磁场和运行性能的影响以及部分模组故障后发电机的容错运行能力,主要研究内容如下:首先,针对受安装工艺限制而存在的安装间隙对风力发电机的影响,通过搭建定转子模块化风力发电机瞬态电磁场计算模型,分析模块化拓扑结构和参数对发电机时空交叠磁场分布的影响,研究模块化拓扑结构和参数对风力发电机输出电压畸变等的影响,为风力发电机的模块化设计提供参考。其次,直驱式风力发电机直径较大,模块化安装易导致定转子不同心,针对该问题,通过建立气隙径向静态偏心、气隙径向动态偏心、气隙径向复合偏心等不同程度偏心的风力发电机仿真计算模型,分析定转子偏心程度对风力发电机电磁分布和运行特性的影响,明晰偏心程度与输出特性之间的映射关系,探寻风力发电机偏心程度的在线检测方法,对风力发电机的偏心状态进行评估。最后,模块化设计不仅能够提高发电机的加工和安装效率,同时提高了发电机的容错运行能力,但发电机部分模组发生故障或因故障退出运行后会导致发电机的不对称运行。针对上述问题,通过建立风力发电机不同故障类型的仿真模型,研究不同故障类型及不同故障深度下发电机的电磁分布以及输出特性,为发电机的容错控制及故障诊断提供依据。

关键词： 电磁场   Fe3O4纳米流体   微织构刀具   减摩机理   刀-屑界面  

摘要： 以316不锈钢为代表的难加工材料是能源医疗等领域的关键材料,然而其切削过程中切削液在刀-屑界面间的润滑和渗透性能不足是制约其实现精密切削的关键问题。在刀具前刀面利用激光制备微织构和应用新型纳米流体是增强切削液渗透性和提升刀具切削性能的既定方法。然而,仅靠刀-屑界面产生的自激电场驱动切削液在微织构中进行流动具有一定的局限性,微织构对纳米流体的输送效果不显著,难以有效调控刀-屑界面间的润滑和摩擦情况,且该能量场在研究中往往被忽视。因此,本文在考虑自激电场的条件下,引入外部磁场,将电磁场、微织构及纳米流体共同应用于切削领域,探究Fe304纳米流体润滑下电磁场对微织构刀具刀-屑界面的减摩机理。主要研究内容如下:首先,针对电磁场作用下Fe3O4纳米流体在微织构界面的定向输运机理进行分析,根据电磁流体力学理论(EMHD),建立微织构中电磁场调控纳米流体定向输运的理论模型。将线圈作为磁场发生装置,并对其产生的磁场强度进行测量和仿真;利用非接触式测量方法对摩擦电势进行测量,结果表明,摩擦电势的数值随着载荷和转速的增大而增加。将电场和磁场的参数引入有限元仿真,研究微观层面下电磁场强度对纳米流体流动特性的影响,明确电磁场对纳米流体流动特性的关联机制。结果表明,随着电磁场强度的增大,纳米流体的流速及所受洛伦兹力均有所提升。当电势值为0.4 V、磁场强度为200 kA/m时,作用于纳米流体上的洛伦兹力为17.24×103N/m3,纳米流体流速为1.762 mm/s。随后,利用“两步法”制备出不同类型和体积分数的Fe3O4纳米流体,发现添加月桂亚氨基二丙酸钠表面活性剂的纳米流体稳定性最好,且纳米颗粒与表面活性剂的最佳质量配比为1:1;利用激光加工技术在Si3N4陶瓷试样表面制备出长度为2 mm、间距为200 μm、深度为20 μm的锥形沟槽微织构。通过摩擦磨损试验对Fe3O4纳米流体的摩擦学性能进行探究,分析不同类型纳米流体和不同预处理的Si3N4陶瓷试样在不同工况下的摩擦系数与磨损形貌。结果表明,TSN+SLI-0.5表现出最低的平均摩擦系数和磨球的磨损,相较于SN+CTAB-0.5,分别降低了 52.95%和61.66%。结合试验结果,明确纳米流体在自激电场作用下对微织构摩擦界面减摩和润滑机理。最后,通过对316不锈钢进行车削试验,研究电磁场辅助Fe3O4纳米流体润滑下微织构刀具的切削性能。结果表明,刀具的切削性能随电磁场强度的增加而显著提升。特别是当磁场强度为1200Gs时,与常规切削液相比,微织构刀具在纳米流体润滑下的切削力、切削温度及已加工表面粗糙度分别降低34.90%、24.98%和31.19%。同时,微织构与纳米流体结合后能够有效缓解刀具的磨损,且随着电磁场的引入,微织构刀具的表面质量明显提升。刀具前刀面和后刀面的磨损情况极大缓解,工件样品的加工影响区域最小。结合电磁场调控纳米流体在微织构中定向输运的有限元仿真,揭示Fe3O4纳米流体润滑下电磁场对微织构刀具刀-屑界面的减摩机理。

关键词： 电磁场与电磁波   电子通信技术   应用  

摘要： 本研究聚焦电磁场与电磁波在电子通信技术中的广泛应用，分别讨论二者在电子通信技术中的具体应用领域，其中电磁场在无线通信、电子元件设计及电磁屏蔽中发挥关键作用，而电磁波则在无线通信、雷达与探测技术、光纤通信及医学影像技术等领域展现其重要性。本研究意在凸显了电磁场与电磁波在现代通信科技中的核心地位，引领电子通信技术的创新发展。

关键词： 不锈钢   激光熔凝   稳态磁场   数值模拟   表面形貌  

摘要： 激光熔凝作为一种绿色高效的激光表面改性技术，其利用高能量激光束使材料表面快速熔化并重新凝固，从而使得材料表面的综合性能得到显著提升。激光熔凝虽然可以获得具有较好性能的熔凝层表面，但在激光熔凝后，其熔凝层表面会产生波纹起伏及咬边形貌，严重影响了熔凝层表面质量，阻碍了材料表面性能的进一步提高，导致后续机加工工作量大幅增加。采用传统调整激光熔凝工艺参数的方法，虽然可在一定程度上改善熔凝层表面形貌，但在大多数情况下，工艺参数会影响到其表面组织、尺寸及综合性能，且费时费力，调控效果不佳。因此，针对于激光熔凝层表面形貌质量不佳等问题，现急需一种可以对激光熔凝层表面进行有效调控的方法，且在不影响熔凝层表面性能的前提下，来提升熔凝层表面质量。　　本文是将稳态磁场与稳态电场作为外加辅助能场，同步施加在单一激光熔凝过程中，通过熔池中产生的洛伦兹力来影响熔池流体的流动及传热，从而实现对熔凝层表面形貌的调控。同时建立了电磁场辅助下激光熔凝的二维多物理场耦合数值仿真模型，获得了电磁场辅助下熔池中流场、温度场及表面形貌的分布特征，揭示了电磁场下产生的感应洛伦兹力与定向洛伦兹力对熔池的作用效果。通过进行电磁场辅助激光熔凝实验，结合对熔凝层表面形貌及熔池流动行为的分析，研究了电磁场作用下熔凝层表面形貌的演化规律，揭示了电磁场作用下所产生的感应洛伦兹力与定向洛伦兹力对激光熔凝层表面形貌的调控机制。本文具体研究工作内容与研究结论如下：　　（1）建立了电磁场辅助激光熔凝仿真模型，并通过实际的熔池尺寸与熔池表面流速对模型进行了验证，证明了仿真模型计算结果的准确性。在单一激光熔凝中，熔池表面峰值温度为2843K。由于316L不锈钢中含有少量的S元素，故在熔池区域同时存在正表面张力梯度与负表面张力梯度区域，熔池内部存在四个大小不一的涡流，熔池表面峰值流速为0.793m/s。　　（2）分析了稳态磁场与电磁复合场对流场、温度场及熔池的作用影响规律。在稳态磁场作用下，其对熔池温度场影响较小，但对熔池流场具有显著影响。熔池内部会产生时刻与熔池流体流速方向相反的感应洛伦兹力，当磁感应强度为1.5T时，熔池表面平均最高流速降至0.455m/s，相较于无磁场下降了0.338m/s，使得熔池后端熔凝层表面波纹起伏大幅度减少，但其对流形式未发生改变。在电磁复合场作用下，熔池内部流场与温度场相较于单一稳态磁场均未发生明显变化。熔池内部会新引入方向向下的定向洛伦兹力，使得熔池整体形貌趋于平缓，熔凝层高度显著下降。　　（3）在单一稳态磁场作用下，激光熔凝层表面波纹起伏被大幅度抑制，纵截面表面轮廓粗糙度随着磁感应强度的增加而减小，当磁感应强度为1.5T时，纵截面表面轮廓粗糙度降幅为66.5%。熔池中产生的感应洛伦兹力减弱了熔池流体对流，使得熔池表面波动大幅度平缓，从而实现了对熔凝层表面波纹起伏的抑制，但对熔凝层咬边形貌并无明显影响。　　（4）加入稳态电场后，激光熔凝层表面波纹起伏相较于单一稳态磁场作用下并无明显抑制，但在较大定向洛伦兹力的作用下，其熔凝层表面波纹起伏有所增加。电磁复合场作用下所产生的向下的定向洛伦兹力对激光熔凝层咬边形貌的抑制效果较为显著，熔池中所产生的向下的定向洛伦兹力抑制了熔池流体在Marangoni对流作用下从熔池边缘向熔池中心堆积，形成了较为平整的熔池表面，从而抑制了激光熔凝层横截面咬边形貌的形成。