黃劉宏，李躍波，楊 杰，丁世敬，劉 鋒

(總參工程兵科研3 所 第4 研究室，河南 洛陽 471023)

低頻強磁場模擬器是采用高壓高能脈沖源對大型螺線圈放電方法，在螺線圈內(nèi)部產(chǎn)生脈沖強磁場。通過對回路脈沖激勵電流波形的控制，可模擬地面核爆炸產(chǎn)生的特定幅值和上升時間的磁場，進而為低頻脈沖強磁場的破壞效應(yīng)及防護技術(shù)研究提供了性能先進的試驗手段。

低頻強磁場發(fā)生線圈作為整個模擬器系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其為一大型螺線圈組:是由相同尺寸、均勻間隔25 cm 的4 個螺線圈組成，每個螺線圈均由直徑10 mm，壁厚1 mm 的紫銅管以1 匝/m 繞制成直徑6 m，長度10 m 的空間螺旋線狀。螺線圈組實物照片如圖1 所示。該線圈組產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度及內(nèi)部空間磁場分布的均勻性是整個模擬器研制的重要指標，但由于線圈組是由4 個平行套接的螺線圈組成，且每個線圈均為疏繞螺線圈，因此整個線圈組產(chǎn)生的磁場無法利用現(xiàn)有適用于單個螺線圈的磁場公式進行計算［1－3］。為解決上述問題，本文利用Ansys 仿真對實體線圈組的磁場及其均勻性進行了計算和分析，并結(jié)合試驗測試進行了驗證，研究結(jié)論為本系統(tǒng)磁場模擬器相關(guān)指標的確定提供了直接依據(jù)。

1 仿真分析

由于對同一線圈而言，其在空間某點處產(chǎn)生的磁場與激勵電流成線性關(guān)系，因此在分析螺線圈組產(chǎn)生的磁場幅值時，可采用穩(wěn)恒電流激勵，而非實體線圈中的脈沖激勵電流形式。這樣可將瞬態(tài)電磁場問題轉(zhuǎn)換為靜磁場問題，從而大幅減少了仿真計算量，并縮短了計算時間。

Ansys 仿真時采用Solid 96 單元進行靜磁場分析，源電流采用Source 36 虛單元［4］。在建立空間螺線圈幾何模型時采用分段圓弧的方式，即單匝線圈設(shè)定由數(shù)個圓弧段組成，經(jīng)多次試算，在綜合考慮計算精度和效率后設(shè)定為20。考慮到螺線圈模型的對稱性，為減小計算量提高計算效率，計算模型為全模型的1/4。近場區(qū)和遠場區(qū)采用不同的網(wǎng)格劃分尺寸，以兼顧計算精度和效率。經(jīng)多次試算與比較，設(shè)定近場區(qū)內(nèi)網(wǎng)格尺寸為150 mm，遠場區(qū)網(wǎng)格尺寸為800 mm。圖2為近遠場設(shè)置和1/4 計算域網(wǎng)格剖分圖。圖3 為仿真計算的磁感應(yīng)強度矢量分布圖及幅值云圖。Ansys 仿真時設(shè)定4 個螺線圈為并聯(lián)激勵，每個螺線圈中電流I=104/4 A。

圖1 磁場發(fā)生線圈實物照片

圖2 Ansys 4 個螺線圈計算模型

圖3 Ansys 仿真計算的螺線圈磁感應(yīng)強度

為了能與Ansys 仿真結(jié)果進行比較，這里將螺距1 m/匝，匝數(shù)10 的4 個螺線圈近似等效為螺距0.25 m/匝，匝數(shù)40 的單個螺線圈，并采用適用于單個疏繞螺線圈磁場的理論公式進行計算［5－6］，兩者結(jié)果的對比如圖4(a)和圖4(b)所示。采樣點分別為x0=(0，2.4，4.5，6)m，y0=0 m 處的軸向磁場分量Bz和徑向磁場分量幅值?？煽闯鯝nsys 仿真結(jié)果與理論計算值基本吻合，只是局部存在差異，這種差異一方面來源于數(shù)值計算誤差，另一方面則在于仿真采用的是與實體線圈一致的4 個螺線圈組模型，而理論計算將其等效為一個連續(xù)的單螺線圈模型。

從螺線圈內(nèi)部磁場的峰值來看，在總電流為104A，4 個螺線圈連接方式為并聯(lián)相加時，螺線圈組中軸線中心磁感應(yīng)強度可達0.010 7 T，若4 個螺線圈為串聯(lián)相加，則每個螺線圈中的電流均為104A，磁場幅值可達0.04 T。上述指標均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖4(c)為螺線圈中間位置半徑平面內(nèi)的Bz峰值曲線。需指出的是，Ansys 仿真雖能夠給出理論公式，卻不能計算螺線圈所在位置處的磁感應(yīng)強度。根據(jù)圖4(a)和圖4(c)中軸向磁場分量Bz的數(shù)值能進一步確定:在螺線圈中心位置處3.6 m×3.6 m×3.6 m的空間內(nèi)，均可滿足系統(tǒng)設(shè)計均勻性＜10%的要求。

圖4 Ansys 仿真結(jié)果與理論結(jié)果的對比

2 試驗測試

為測試螺線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布，購置了磁場測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)基于電磁感應(yīng)法，即在被測磁場區(qū)域放置小的探測線圈，外部磁場的變化導(dǎo)致探測線圈磁通量的變化進而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過建立的感應(yīng)電動勢與外部磁場的關(guān)系測得磁感應(yīng)強度。該系統(tǒng)主要由GC1W－B 光發(fā)射機和GY100－1006 光接收機組成。光發(fā)射機上裝有探測線圈，并將測得的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖引出螺線圈所在的電磁屏蔽室。光接收機接收光纖導(dǎo)入的光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，再將其導(dǎo)入示波器即可實現(xiàn)被測信號幅值和波形的顯示與測量。

圖5 磁場均勻度測點布置圖

圖6 磁場均勻度測試現(xiàn)場照片

按圖5 所示布置5 個磁場傳感器，測試現(xiàn)場照片如圖6 所示。測點B 為螺線圈組中軸線的中心點，測點C 沿徑向方向距測點B 1.8 m，測點A 和D 均沿軸線方向距測點C 1.8 m，測點E 距測點A 1.8 m。表1中在計算磁場均勻性時，以5 個測點值的平均值為基準，計算各點與平均值的最大偏差和最小偏差，二者差值的絕對值為均勻性數(shù)值?？煽闯?，5 個測點處的均勻性值最大為9.1%，因此依據(jù)磁感應(yīng)強度分布的軸對稱性可知，在螺線圈組中間位置的3.6 m×3.6 m×3.6 m 方形區(qū)域內(nèi)均可滿足＜10%的均勻性指標要求，與仿真分析結(jié)果一致。

表1 磁場均勻性測試結(jié)果

3 結(jié)束語

(1)利用Ansys 對低頻強磁場模擬試驗設(shè)備中的磁場發(fā)生線圈組進行了仿真計算，在總電流為104A且4 個螺線圈連接方式為并聯(lián)相加時，螺線圈組中軸線中心磁感應(yīng)強度為0.01 T，若連接方式改為串聯(lián)相加，則幅值可達0.04 T。上述指標均滿足設(shè)計要求。同時將Ansys 仿真結(jié)果與疏繞螺線圈理論公式計算結(jié)果進行了對比，驗證了仿真結(jié)果的正確性。

(2)仿真結(jié)果表明，在螺線圈組中心位置處3.6 m×3.6 m×3.6 m 的空間內(nèi)，磁感應(yīng)強度的均勻性＜10%。該區(qū)域可作為滿足系統(tǒng)均勻性指標要求的磁場受試區(qū)。

(3)對于幾何尺寸和連接方式確定的螺線圈模型，空間固定點處的磁感應(yīng)強度幅值僅與激勵電流的大小有關(guān)，因此盡管本文仿真計算時采用穩(wěn)恒電流激勵，但其結(jié)果對于實際線圈中為脈沖電流激勵的情形也同樣適用。

［1］ 雷照銀.軸對稱線圈磁場計算［M］.北京:中國計量出版社，1991.

［2］ 馬文蔚.物理學(xué):中冊［M］.4 版.北京:高等教育出版社，1999.

［3］ BHAG S G.電磁場與電磁波:英文版［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［4］ 張倩，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS 12.0 電磁學(xué)有限元分析從入門到精通［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［5］ 馮旺軍.考慮螺距時圓截面螺線管電流磁場的空間分布［J］.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，24(4):13－16.

［6］ 馮旺軍.疏松型螺線管電流軸線上磁場的數(shù)值計算［J］.大學(xué)物理，2002，21(3):31－33.