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FBG-GMM电流互感器磁路设计与动态特性研究

赵海军  
【摘要】: 超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)组合进行电流互感研究是一种新的尝试。本文应用有限元方法,基于GMM的磁致伸缩特性设计了一个具有铁磁回路的GMM-FBG电流互感系统。 在无偏磁情况下利用有限元方法对磁路系统进行优化,研究了磁路系统中GMM和铁氧体的特征尺寸对磁路系统中磁场的影响,根据磁场的均匀性和大小确定其特征尺寸。确定了激励电流与GMM中磁场的数值关系。由于GMM工作的准线性区限制了电流检测的量程,为此在磁路系统中设置一个可调节的气隙,确定了气隙的大小和电流检测量程的数值关系。应用二维仿真可以定性地分析设计结构的合理性,用三维仿真能较准确地计算出激励电流与GMM中磁场的关系。 在无偏磁磁路优化的基础上,利用有限元方法设计将永磁体放置在磁路中为GMM提供偏置磁场。对永磁体的充磁方向尺寸和面积进行优化,选择充磁尺寸为1.8mm,面积与硅钢片相同的永磁体,为GMM提供30 kA ?m?1的偏磁。在该系统中,可以通过改变永磁体充磁方向尺寸来改变传感器的静态工作点。 实验结果表明三维分析中建立的激励电流与GMM中磁场的数值关系正确;设置的永磁体放置方法能为GMM提供足够的偏置磁场。 由于GMM自由杆的谐振频率与其动力学特性有关,因此本文从模态理论出发,应用ANSYS软件对不同结构的GMM进行幅频特性分析,可以看出GMM的谐振频率和频宽宽度与其长度成反比、与横截面积无关。考虑到应用时应避免系统发生共振现象,选择尺寸为15 mm×3mm×3mm的GMM棒,其谐振频率为32.4kHz,在50Hz~1000Hz磁场激励实验中获得较好的幅频特性,证明在1000Hz以内模态分析的正确性。


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