基于邊界法向磁通密度逐點(diǎn)測(cè)量的無(wú)旋磁場(chǎng)重構(gòu)方法及其應(yīng)用.pdf

1、磁場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的重要媒質(zhì)，準(zhǔn)確獲取其空間分布是工程科學(xué)中一個(gè)共性基礎(chǔ)課題．本論文提出并研究一種基于邊界法向磁通密度逐點(diǎn)測(cè)量的無(wú)旋磁場(chǎng)重構(gòu)方法．該方法以標(biāo)量磁勢(shì)拉普拉斯方程描述無(wú)旋空間內(nèi)磁場(chǎng)，通過(guò)傳感器逐點(diǎn)測(cè)量空間邊界面上的法向磁通密度分布，進(jìn)而以測(cè)量結(jié)果為邊界條件求解拉普拉斯方程，計(jì)算（重構(gòu)）出整個(gè)空間內(nèi)的磁場(chǎng)分布．作為一種測(cè)量與計(jì)算相結(jié)合的方法，該方法較傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有測(cè)量量少、測(cè)量簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)及可獲得完整空間內(nèi)磁場(chǎng)分布等

2、優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)的計(jì)算方法具有無(wú)需獲知?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)信息、精度高、模型簡(jiǎn)單且計(jì)算量小、易得到解析解等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)現(xiàn)有磁場(chǎng)獲取方法的一種有益補(bǔ)充，可被廣泛應(yīng)用于各種磁性系統(tǒng)的研究中.
　　 論文在系統(tǒng)研究空間磁場(chǎng)無(wú)旋特性及其基本微分方程、以邊界法向磁通密度為邊界條件的微分方程求解理論、基于等弦高準(zhǔn)則的自適應(yīng)測(cè)量方法以及基于邊界磁通迭代優(yōu)化的二次重構(gòu)方法等相關(guān)理論與方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)而通過(guò)電磁流量計(jì)（管段式、插入式）測(cè)量空間內(nèi)磁場(chǎng)與電磁馬達(dá)（三自

3、由度球形馬達(dá)、三相勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)馬達(dá)）工作空間內(nèi)磁場(chǎng)的重構(gòu)實(shí)例，對(duì)磁場(chǎng)重構(gòu)方法及其基礎(chǔ)理論進(jìn)行不同勵(lì)磁源（電磁鐵、永磁體）、不同磁場(chǎng)類型（穩(wěn)態(tài)、似穩(wěn)態(tài)）、不同邊界條件（黎曼邊界條件、混合邊界條件）、不同重構(gòu)空間（規(guī)則、非規(guī)則幾何空間）及不同求解方法（數(shù)值、解析、分域解析）下的全面、深入闡述與驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上，開展電磁流量計(jì)（機(jī)械能轉(zhuǎn)電能）與電磁馬達(dá)（電能轉(zhuǎn)機(jī)械能）的電-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換特性研究，提出并研究基于測(cè)量空間內(nèi)磁場(chǎng)重構(gòu)的電磁流量計(jì)干標(biāo)定方

4、法及基于轉(zhuǎn)子外圍空間磁場(chǎng)重構(gòu)的三自由度球形電磁馬達(dá)力矩計(jì)算方法：前者以測(cè)量空間內(nèi)磁場(chǎng)重構(gòu)模型為核心，采用多場(chǎng)耦合（磁場(chǎng)、電場(chǎng)與流場(chǎng)）數(shù)值計(jì)算判定流量計(jì)一次傳感器靈敏度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)需任何實(shí)際液體情況下的流量計(jì)標(biāo)定，在不經(jīng)任何實(shí)流標(biāo)定修正的情況下標(biāo)定誤差小于0.5％，為有效解決大口徑電磁流量計(jì)標(biāo)定這一國(guó)際性難題提供了新的方案；后者基于轉(zhuǎn)子外圍空間磁場(chǎng)的解析重構(gòu)模型，采用洛倫茲力法建立馬達(dá)力矩解析計(jì)算模型，為馬達(dá)控制模型參數(shù)估計(jì)等后續(xù)研究奠定

5、基礎(chǔ)。
　　 論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1．無(wú)旋磁場(chǎng)重構(gòu)理論的研究。
　　 磁場(chǎng)重構(gòu)基本思想出發(fā)，基于空間磁場(chǎng)的無(wú)旋特性，以標(biāo)量磁勢(shì)拉普拉斯方程作為描述此類磁場(chǎng)的基本微分方程，進(jìn)而系統(tǒng)研究如何為求解這一微分方程提供適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，針對(duì)三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：邊界條件確定，測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化以及真實(shí)邊界構(gòu)造，分別研究以邊界法向磁通密度為邊界條件的微分方程求解理論、基于等弦高準(zhǔn)則的自適應(yīng)測(cè)量方法以及基于邊界磁通迭代優(yōu)化的二次重構(gòu)方

6、法等相關(guān)理論與方法.通過(guò)對(duì)以上基礎(chǔ)理論與方法的系統(tǒng)研究，形成基于邊界法向磁通密度逐點(diǎn)測(cè)量的無(wú)旋磁場(chǎng)重構(gòu)方法.
　　 2．電磁流量計(jì)測(cè)量空間內(nèi)磁場(chǎng)重構(gòu)及干標(biāo)定方法研究．
　　 管段式電磁流量計(jì)：研究通過(guò)霍爾探頭逐點(diǎn)掃描方式確定電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)壁法向磁通密度分布的方法與裝置，以此為基礎(chǔ)重構(gòu)電磁流量計(jì)測(cè)量空間內(nèi)的三維磁場(chǎng)分布，其中包括測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化、盲區(qū)磁場(chǎng)二次重構(gòu)等理論的實(shí)際應(yīng)用與驗(yàn)證；研究電磁流量計(jì)數(shù)學(xué)模型，以磁場(chǎng)重構(gòu)模型結(jié)

7、合權(quán)重函數(shù)數(shù)學(xué)模型與測(cè)量介質(zhì)的流體動(dòng)力學(xué)模型，提出并研究基于多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算的電磁流量一次傳感器靈敏度系數(shù)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)干標(biāo)定，并通過(guò)與理想流場(chǎng)和非理想流場(chǎng)下的實(shí)流標(biāo)定（濕標(biāo)定）數(shù)據(jù)對(duì)比對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．
　　 插入式電磁流量計(jì)：針對(duì)插入式探頭外圍非規(guī)則測(cè)量空間內(nèi)磁場(chǎng)，首先研究其數(shù)值重構(gòu)方法，進(jìn)而提出并研究一種針對(duì)非規(guī)則場(chǎng)域內(nèi)磁場(chǎng)的分域解析重構(gòu)方法。
　　 3．電磁馬達(dá)工作空間內(nèi)磁場(chǎng)重構(gòu)及力矩計(jì)算方法研究。

8、
　　 三自由度球形電磁馬達(dá)：基于已獲取的關(guān)于該三自由度球形電磁馬達(dá)的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究并驗(yàn)證其轉(zhuǎn)子外圍工作空間磁場(chǎng)的數(shù)值和解析重構(gòu)方法；利用現(xiàn)有測(cè)量數(shù)據(jù)噪聲較大的特點(diǎn)，就測(cè)量噪聲對(duì)測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化算法的影響等問(wèn)題展開討論與分析；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)洛倫茲力法建立基于磁場(chǎng)重構(gòu)解析模型的馬達(dá)力矩計(jì)算模型，并進(jìn)行與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。
　　 三相勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)馬達(dá)：研究并利用三相勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)隨空間分布的周期復(fù)現(xiàn)特性，以霍爾傳感器陣列實(shí)時(shí)測(cè)量