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脉冲强磁体分析设计的理论与实践

作　者: 彭涛
导　师: 辜承林
学　校: 华中科技大学
专　业: 电机与电器
关键词: 脉冲强磁场脉冲磁体应力温度优化设计脉冲磁体设计软件 ANSYS
分类号: TM27
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 317次
引　用: 8次
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内容摘要

随着科学技术的发展,强磁场已经成为许多重要科学研究的有效工具。根据脉宽的不同,强磁场可以分为稳态强磁场和脉冲强磁场,对应的发生装置分别为稳态强磁体和脉冲强磁体。后者因为分析设计相对简单、成本低廉、操作容易、维护简单而迅速发展,目前被广泛应用在物理、化学、生物等研究领域。本文围绕脉冲强磁场的产生原理,探讨了脉冲强磁体的分析、设计、制造以及实验测试技术,包括磁体电感、电阻等基本参数的计算、磁体内磁场、温升以及应力分布分析等等。在放电计算中,主要分析了磁场波形的计算方法,同时也分析了磁致电阻效应、集肤效应以及续流回路对磁场波形和磁体内温度分布的影响。在应力计算中,根据全量理论和迭代算法,全面分析磁体中轴向应力、径向应力、环向应力和等效应力的计算方法和分布情况。通过优化算法,解决了加固层厚度选择的问题,使磁体中应力分布更均匀,大大提高了材料机械强度的利用率。同时,对各向异性材料也进行了讨论,定量地给出了各向异性对磁体应力分布的影响,为磁体设计提供了有用的帮助。最后,在磁体组装测试部分,简要叙述了磁体线圈绕制、浸渍、组装工艺流程与实验测试方法。所得出的磁体测试结果表明,仿真分析与实验结果吻合较好。在以上工作基础上,作者研制了一套脉冲磁体分析设计软件(PMDS)。程序采用Visual Basic 6.0 程序设计语言开发,软件包括电磁场分析模块、热分析模块、结构分析模块以及丰富的前、后处理模块,界面友好,使用方便,数据文件与Excel 和AUTOCAD 接口,可操作性强,易于升级,其可靠性和实用性已由多台磁体的分析、设计、研制和测试所证实。作为对比,文中还介绍了有限元软件ANSYS 在脉冲强磁体设计中的应用。利用ANSYS 计算脉冲强磁体的放电过程和应力分布,并把计算结果与PMDS 的结果相比较,发现二者结果吻合很好。同时,对二者在使用上的优缺点也进行了比较。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-21
  1.1 强磁场发展历史  9-10
  1.2 国内外脉冲强磁场发展动态  10-14
  1.3 课题研究意义  14-17
  1.4 脉冲强磁场发生系统  17-19
  1.5 本文研究内容与章节安排  19-21
2 脉冲强磁体基本参数计算  21-38
  2.1 均匀绕组线圈中的磁场电流关系  21-26
  2.2 磁场分析  26-30
  2.3 线圈在空间任一点处的磁场  30-32
  2.4 非均匀绕组线圈中的磁场电流关系  32
  2.5 电阻  32-33
  2.6 电感  33-34
  2.7 磁体中的磁场分布  34-38
3 脉冲强磁场放电过程与热过程分析  38-56
  3.1 RLC 电路放电特性  38-40
  3.2 阻尼系数  40-41
  3.3 续流回路  41-44
  3.4 电路参数变化对磁场波形的影响  44-49
  3.5 线圈温度分布  49-50
  3.6 磁体孔径与磁感应强度和能量以及磁体温升之间的关系  50-51
  3.7 续流电阻对磁体温升的影响  51-52
  3.8 双线圈系统  52-56
4 脉冲强磁体中应力计算  56-75
  4.1 磁体中任一点的力平衡  56-57
  4.2 磁体中任一点处径向应变与环向应变的关系  57-58
  4.3 弹性变形分析  58-59
  4.4 塑性变形分析  59-61
  4.5 单元应力分布计算  61-64
  4.6 磁体中应力分布一般性探讨  64-69
  4.7 实例分析  69-71
  4.8 磁体孔半径对应力的影响  71-72
  4.9 各向异性材料中的应力分布  72-75
5 脉冲强磁体材料研究  75-86
  5.1 导体材料  75-81
  5.2 加固材料  81-84
  5.3 材料之间的匹配  84-86
6 脉冲强磁体设计软件开发  86-101
  6.1 PMDS 设计流程  87-88
  6.2 材料数据库  88-91
  6.3 前处理模块  91-94
  6.4 基本参数计算  94-95
  6.5 放电计算  95-96
  6.6 应力计算  96-98
  6.7 双线圈系统  98
  6.8 后处理模块  98-100
  6.9 软件性能  100-101
7 有限元分析软件 ANSYS 在脉冲强磁体设计中的应用  101-109
  7.1 ANSYS 简单介绍  101-102
  7.2 磁体建模  102-104
  7.3 放电计算与热计算  104-106
  7.4 应力计算  106-109
8 脉冲强磁体样机研制与测试  109-115
  8.1 线圈绕制  109-110
  8.2 浸渍  110-111
  8.3 磁体组装  111-112
  8.4 耐压测试  112-113
  8.5 磁场测试  113-115
9 全文总结  115-118
致谢  118-119
参考文献  119-124
附录1 攻读学位期间发表论文目录  124

脉冲强磁体分析设计的理论与实践

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