基于邊界法向磁通密度逐點測量的無旋磁場重構(gòu)方法及其應(yīng)用.pdf

1、磁場是實現(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測量的無旋磁場重構(gòu)方法．該方法以標(biāo)量磁勢拉普拉斯方程描述無旋空間內(nèi)磁場，通過傳感器逐點測量空間邊界面上的法向磁通密度分布，進(jìn)而以測量結(jié)果為邊界條件求解拉普拉斯方程，計算（重構(gòu)）出整個空間內(nèi)的磁場分布．作為一種測量與計算相結(jié)合的方法，該方法較傳統(tǒng)的測量方法具有測量量少、測量簡單易實現(xiàn)及可獲得完整空間內(nèi)磁場分布等

2、優(yōu)點，較傳統(tǒng)的計算方法具有無需獲知勵磁系統(tǒng)信息、精度高、模型簡單且計算量小、易得到解析解等優(yōu)點，是對現(xiàn)有磁場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)研究空間磁場無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)而通過電磁流量計（管段式、插入式）測量空間內(nèi)磁場與電磁馬達(dá)（三自

3、由度球形馬達(dá)、三相勵磁旋轉(zhuǎn)馬達(dá)）工作空間內(nèi)磁場的重構(gòu)實例，對磁場重構(gòu)方法及其基礎(chǔ)理論進(jìn)行不同勵磁源（電磁鐵、永磁體）、不同磁場類型（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、深入闡述與驗證.在此基礎(chǔ)上，開展電磁流量計（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，提出并研究基于測量空間內(nèi)磁場重構(gòu)的電磁流量計干標(biāo)定方

4、法及基于轉(zhuǎn)子外圍空間磁場重構(gòu)的三自由度球形電磁馬達(dá)力矩計算方法：前者以測量空間內(nèi)磁場重構(gòu)模型為核心，采用多場耦合（磁場、電場與流場）數(shù)值計算判定流量計一次傳感器靈敏度系數(shù)，實現(xiàn)無需任何實際液體情況下的流量計標(biāo)定，在不經(jīng)任何實流標(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標(biāo)定這一國際性難題提供了新的方案；后者基于轉(zhuǎn)子外圍空間磁場的解析重構(gòu)模型，采用洛倫茲力法建立馬達(dá)力矩解析計算模型，為馬達(dá)控制模型參數(shù)估計等后續(xù)研究奠定

5、基礎(chǔ)。
　　 論文主要研究內(nèi)容如下：
　　 1．無旋磁場重構(gòu)理論的研究。
　　 磁場重構(gòu)基本思想出發(fā)，基于空間磁場的無旋特性，以標(biāo)量磁勢拉普拉斯方程作為描述此類磁場的基本微分方程，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，針對三個關(guān)鍵問題：邊界條件確定，測量點優(yōu)化以及真實邊界構(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.通過對以上基礎(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測量的無旋磁場重構(gòu)方法.
　　 2．電磁流量計測量空間內(nèi)磁場重構(gòu)及干標(biāo)定方法研究．
　　 管段式電磁流量計：研究通過霍爾探頭逐點掃描方式確定電磁流量計測量管內(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)電磁流量計測量空間內(nèi)的三維磁場分布，其中包括測量點優(yōu)化、盲區(qū)磁場二次重構(gòu)等理論的實際應(yīng)用與驗證；研究電磁流量計數(shù)學(xué)模型，以磁場重構(gòu)模型結(jié)

7、合權(quán)重函數(shù)數(shù)學(xué)模型與測量介質(zhì)的流體動力學(xué)模型，提出并研究基于多場耦合數(shù)值計算的電磁流量一次傳感器靈敏度系數(shù)計算方法，實現(xiàn)電磁流量計干標(biāo)定，并通過與理想流場和非理想流場下的實流標(biāo)定（濕標(biāo)定）數(shù)據(jù)對比對該方法進(jìn)行實驗驗證．
　　 插入式電磁流量計：針對插入式探頭外圍非規(guī)則測量空間內(nèi)磁場，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非規(guī)則場域內(nèi)磁場的分域解析重構(gòu)方法。
　　 3．電磁馬達(dá)工作空間內(nèi)磁場重構(gòu)及力矩計算方法研究。

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)，研究并驗證其轉(zhuǎn)子外圍工作空間磁場的數(shù)值和解析重構(gòu)方法；利用現(xiàn)有測量數(shù)據(jù)噪聲較大的特點，就測量噪聲對測量點優(yōu)化算法的影響等問題展開討論與分析；在此基礎(chǔ)上，通過洛倫茲力法建立基于磁場重構(gòu)解析模型的馬達(dá)力矩計算模型，并進(jìn)行與現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)的對比驗證。
　　 三相勵磁旋轉(zhuǎn)馬達(dá)：研究并利用三相勵磁旋轉(zhuǎn)磁場隨空間分布的周期復(fù)現(xiàn)特性，以霍爾傳感器陣列實時測量