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永磁体空间磁场分布规律及其在传感器中的应用

李鑫  
【摘要】:由于具有良好且稳定的磁性,永磁体在磁悬浮、磁道导航、磁疗等系统的永磁传感机构中得到了广泛地应用。永磁体磁场强度的空间分布规律对永磁传感机构的设计和研制具有重要的理论与工程指导意义。永磁传感机构中普遍使用的永磁体结构类型有长方体、圆柱体和球体。目前长方体永磁体的磁场研究已臻于完善,但圆柱体、球体永磁体相应的研究及进展还相对滞后,制约了其在上述领域中精确的定量使用。基于目前研究现状,本课题针对圆柱体、球体永磁体及其他形状可用数学语言描述的永磁机构的空间磁场进行了理论、仿真和实验研究。本课题基于麦克斯韦方程组分别建立了圆柱体和球体永磁体磁场的等效电流模型,并总结出形状可用数学语言描述的永磁体磁场的建模方法。首先,根据安培分子环流定律和毕奥一萨伐尔定律对轴向磁化的圆柱体永磁体建立磁场等效电流模型,描述出永磁体几何尺寸及磁化强度对磁场强度的影响;总结出形状可用数学语言描述的永磁体及其相互组合的永磁机构磁场建模方法,在此基础上,建立了球体永磁体磁场的等效电流模型;对圆柱体和球体永磁体磁场强度进行矢量分解,获得了磁场强度各分量在平行于轴向和径向的两条路径上的变化规律。基于COMSOL软件的电磁场仿真模块分别对圆柱体和球体永磁体的空间磁场进行了仿真与分析,并总结了基于COMSOL软件仿真、分析和验证磁场的方法。基于等效磁荷模型和有限元计算方法,获得了磁场强度及其各分量的变化规律,通过与等效电流模型相应的仿真结果作对比,验证了所建立的等效电流模型的合理性和正确性,同时证明了等效磁荷模型和等效电流模型都是基于麦克斯韦基本理论,具有相同物理本质的数学模型。由于常规的磁阻位移检测系统结构复杂、测量精度差,本课题基于磁场强度分布规律提出了一种磁阻位移检测方案,并对该方案中磁场检测模块的设计进行了理论优化。通过与常规的磁阻位移检测方案对比,从理论和实验测量上分别验证了该方案可简化系统结构,提高测量精度。综上所述,本课题建立的永磁体空间磁场的等效电流模型可为永磁机构的磁场研究提供指导,为其在工程领域中的应用提供理论依据。


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