恒定磁场产生系统仿真分析

恒定磁场产生系统仿真分析

曹平军

中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003

摘 要 选用三维麦克斯韦线圈结构产生恒定磁场，采用铝合金材料作为线圈骨架，根据给定设计指标，采用ANSYS软件对线圈结构在三个方向上的外框、中框、内框进行受力分析，仿真结果反映出实际设计值与理论值的偏差，对线圈尺寸调整和机械加工具有指导意义。

关键词 麦克斯韦线圈；恒定磁场；ANSYS；形变

0引言

随着弱磁探测技术不断发展，弱磁传感器向探测更低磁场、更低噪声等极弱磁场方向发展，如超导量子磁强计（SQUID）、原子光学磁强计（CPT等）、磁阻磁强计（TMR等）等弱磁探测技术逐步成熟，并在武器装备中逐步应用。高灵敏度原子磁力仪磁强计的磁场噪声可达到3pT/ 。针对极弱磁场的测量和校准需求，需要研究极弱磁场的校准装置，其中核心装置是恒定磁场产生装置，在理论分析的基础上采用ANSYS仿真技术，可对线圈性能进行评估，对实际设计具有指导意义。

ANSYS是一款融合流体、电场、磁场、声场分析于一体的通用有限元分析软件，它提供一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便的构造有限元模型，可模拟多种物理介质的相互作用，并能以图表、图形、图线等方式显示和输出。

1 恒定磁场产生系统组成

恒定磁场产生系统包括三轴磁场线圈（3组固定补偿绕组、3组复现磁场绕组、三组磁场噪声补偿绕组）、恒流源（包括3台固定补偿恒流源、3台磁场复现恒流源）、电流控制系统（包括3台数字多用表、3台标准电阻）、检零磁强计等组成，可以补偿地磁场固定分量，并产生恒定磁场。恒定磁场发生系统图如图1所示。补偿恒流源与三轴磁场线圈的固定补偿绕组连接，用于补偿地磁场的固定分量；复现恒流源与三轴磁场线圈的复现绕组连接，用于复现恒定磁场；数字电压表与标准电阻连接，用于测量复现绕组的电流，计算复现的恒定磁场

为了满足磁场线圈均匀区的要求，磁场线圈选择均匀度好的结构，并保证磁场线圈的均匀区和均匀性，本文的三轴磁场线圈采用三维麦克斯韦结构。

图 1三轴磁场线圈结构图

三轴磁场线圈如图1所示。线圈支撑结构支撑线圈系统，保证线圈结构稳定，可对线圈的轴正交、轴偏移和框间距微调。支撑结构包括铝合金主体支架、水平调节脚、线圈框固定架和距离微调装置等。支撑结构主体框架为铝型材，具有直线度好、较强抗弯能力和结构稳定性的优点，可保证线圈长期放置稳定性。微调部件为黄铜材质，黄铜硬度较高，耐磨性较好，可保证微调后结构稳定。线圈的优缺点比较。微调机构可以保证磁场线圈的均匀区和均匀性，也为梯度补偿提供补偿条件。

2 麦克斯韦线圈结构仿真分析

为了满足磁场线圈均匀区的要求铝合金材料选择铝合金6061T112，最大允许径向形变量为0.1mm，淬火态抗拉极限强度220 MPa～260MPa，热线胀系数at=2.35x10-5/℃。线圈受力后形变应小于0.4mm。

2.1线圈框架热变形

表1 线圈框架热变形变化量

表1列出了框架的热变形变化量，线圈的热变形的按变形量不超过0.5mm技术指标，线圈使用环境温度变化量不得超过10℃，否则会出现由于温度变形造成径向尺寸超差。

2.2线圈框架受力分析

线圈在受力情况下会发生应力应变，必须对线圈框架进行受力分析，保证线圈框架的长期稳定性。

1）外框Φ4400mm×150mm×100mm的框架受力分析

图2 Φ4410×150×100应力应变图

图2为Φ4410mm×150mm×100mm应力应变图，上图为应分析力图、下图为应变图。应力满足强度要求，远小于强度极限。应变0.183mm，满足技术要求指标。

2） 中框Φ4000mm×150mm×100mm框架受力分析

图3 Φ4000mm×150mm×100mm应力应变图

图3为Φ4000mm×150mm×100mm应力应变图，上图为应力图、下图为应变图。应力满足强度要求，远小于强度极限。应变0.368mm，满足要求。

3） 内框Φ3600mm×150mm×100mm框架受力分析

图4 Φ3600mm×150mm×100mm应力应变图

图4为Φ3600mm×150mm×100mm应力应变图，上图为应力图、下图为应变图。应力满足强度要求，远小于强度极限。设置小环支撑架，应变缩小至0.224mm，满足要求。

4） 外框Φ2918mm×150mm×100mm框架受力分析

图5为Φ2980mm×150mm×100mm应力应变图，上图为应力图、下图为应变图。应力满足强度要求，远小于强度极限。现有尺寸结构，形变为0.101mm，基本满足要求，在机械加工时，将外形尺寸座正偏差即可。

图5 Φ2981mm×150mm×100mm应力应变图

5） 中框Φ2715mm×150mm×100mm框架受力分析

图6 Φ2715mm×150mm×100mm应力应变图

图6为Φ2715mm×150mm×100mm应力应变图，上图为应力图、下图为应变图。应力满足强度要求，远小于强度极限。现有尺寸结构，形变为0.0829mm，将内外径差值缩减至130mm时，变形量为0.104，即，尺寸可以缩减至130mm，加工选用正偏差，满足要求。

6） 内框Φ2448mm×150mm×100mm框架受力分析

图7 Φ2448mm×150mm×100mm应力应变图

图7为Φ2448mm×150mm×100mm应力应变图，上图为应力图、下图为应变图。应力满足强度要求，远小于强度极限现有尺寸结构，形变为0.0596mm，将内外径差值缩减至100mm时，变形量为0.106mm，即，外形尺寸可以缩减至100mm，加工选用正偏差，满足要求。

3 结束语

采用ANSYS软件对铝合金结构的三维麦克斯韦线圈的外框、中框、内框进行受力分析，仿真结果清晰、直观，选用的铝合金型号满足设计要求，但理论仿真值与实际设计值存在微小的偏差，对于给出的偏差值，可通过微调线圈结构来实现，并对机械加工精度提出要求。

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