本文關(guān)鍵詞：大型零磁裝置的磁場分析方法研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近零磁場環(huán)境是指磁場極其微弱的環(huán)境,在前沿科學(xué)、航天國防等方面都具有獨(dú)特的應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“空間環(huán)境地面模擬設(shè)施”包含空間磁環(huán)境模擬與研究系統(tǒng),也是我國弱磁、中磁、強(qiáng)磁磁場環(huán)境設(shè)施體系的重要部分。零磁裝置屏蔽地磁場和各類磁場干擾,實(shí)現(xiàn)近零磁場環(huán)境,提供了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高精度可控弱磁場的條件。本課題的研究對象是內(nèi)部尺寸為房間大小的大型零磁裝置,研究內(nèi)容是零磁裝置性能的準(zhǔn)確分析方法,為建設(shè)國際先進(jìn)水平的零磁裝置提供理論基礎(chǔ)。屏蔽材料的磁特性是分析零磁裝置特性的必備輸入條件。本論文依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)測量了常用屏蔽材料坡莫合金的直流、交流磁特性。根據(jù)測試原理改進(jìn)了測試系統(tǒng),首次獲得了低磁場下材料的直流磁化曲線、極低頻率下材料的交流磁化曲線和磁滯回線,拓展了材料磁特性的測量范圍。建立了適用于坡莫合金的磁滯模型,并通過材料樣品實(shí)驗(yàn)確定了磁滯模型參數(shù)。屏蔽系數(shù)是零磁裝置的一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo),采用屏蔽前磁場強(qiáng)度與屏蔽后磁場強(qiáng)度的比值表示,代表了對外界磁場的屏蔽能力。本論文闡述了靜態(tài)磁場屏蔽和時(shí)變磁場屏蔽的機(jī)理,采用屏蔽系數(shù)解析法分析了球形屏蔽的屏蔽性能。為了準(zhǔn)確分析實(shí)際工程中常用的正方體等不可解析形狀的屏蔽體,針對零磁裝置大小尺度共存引起的剖分問題,建立了以等效面代替屏蔽薄層的改進(jìn)有限元模型,能夠有效分析屏蔽體邊角、孔洞的漏磁影響。針對大型零磁裝置屏蔽層內(nèi)的坡莫合金板材之間存在氣隙的問題,本論文提出了考慮非線性、不連續(xù)搭接結(jié)構(gòu)的等效磁導(dǎo)率計(jì)算方法,并通過環(huán)形樣件實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。剩余靜態(tài)磁場是零磁裝置內(nèi)部的另一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo),是內(nèi)部空間中的靜態(tài)磁場幅值。剩余靜態(tài)磁場與屏蔽系數(shù)有關(guān),但更決定于屏蔽材料自身的磁化強(qiáng)度。為了減小材料的剩磁,零磁裝置必須進(jìn)行退磁。本論文首次提出了基于磁滯模型的退磁過程計(jì)算方法,能夠定量計(jì)算3維軟磁材料在退磁過程中和退磁結(jié)束后的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度,并通過對環(huán)形樣件和具有彎曲回路的復(fù)雜樣件的退磁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。基于該方法分析退磁電流參數(shù)對材料剩磁的影響、特定退磁線圈組態(tài)下屏蔽層的退磁效果,獲得了以上退磁參數(shù)對剩余靜態(tài)磁場的影響規(guī)律。綜合分析零磁裝置的屏蔽作用與退磁效果,本論文首次給出了退磁技術(shù)決定剩余靜態(tài)磁場的定量解釋:通過施加退磁磁場控制屏蔽材料的磁化強(qiáng)度與外界磁場達(dá)到平衡,使得裝置內(nèi)部空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度為最低狀態(tài),這一過程是磁平衡動(dòng)態(tài)過程。提出了一種零磁裝置新結(jié)構(gòu),在屏蔽體具有退磁孔洞的情況下,通過結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)使屏蔽系數(shù)達(dá)到最優(yōu)值,且剩余靜態(tài)磁場這一指標(biāo)不受影響。通過德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院BMSR-2裝置和慕尼黑工業(yè)大學(xué)零磁裝置的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了基于本論文中的磁場分析方法�？傊�,本論文測量了坡莫合金材料磁特性;提出了基于等效磁導(dǎo)率的屏蔽系數(shù)計(jì)算方法,以準(zhǔn)確預(yù)估零磁裝置的屏蔽性能,并能夠計(jì)算裝置本身的屏蔽材料與裝置內(nèi)部線圈磁場的耦合效應(yīng);提出了退磁過程或稱磁動(dòng)態(tài)平衡過程的計(jì)算方法,以計(jì)算零磁裝置的剩余靜態(tài)磁場;提出了一種零磁裝置新結(jié)構(gòu),可以提高屏蔽系數(shù),且不影響剩余靜態(tài)磁場指標(biāo)。本論文形成了系統(tǒng)的大型零磁裝置的精確分析方法,為零磁裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ),支撐國際先進(jìn)水平的零磁/弱磁環(huán)境裝置的建設(shè)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O441

【參考文獻(xiàn)】

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