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脉冲强磁体分析设计的理论与实践

彭涛  
【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。


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