基于邊界法向磁通密度逐點測量的無旋磁場重構方法及其應用.pdf

1、磁場是實現電能與機械能轉換的重要媒質，準確獲取其空間分布是工程科學中一個共性基礎課題．本論文提出并研究一種基于邊界法向磁通密度逐點測量的無旋磁場重構方法．該方法以標量磁勢拉普拉斯方程描述無旋空間內磁場，通過傳感器逐點測量空間邊界面上的法向磁通密度分布，進而以測量結果為邊界條件求解拉普拉斯方程，計算（重構）出整個空間內的磁場分布．作為一種測量與計算相結合的方法，該方法較傳統(tǒng)的測量方法具有測量量少、測量簡單易實現及可獲得完整空間內磁場分布等

2、優(yōu)點，較傳統(tǒng)的計算方法具有無需獲知勵磁系統(tǒng)信息、精度高、模型簡單且計算量小、易得到解析解等優(yōu)點，是對現有磁場獲取方法的一種有益補充，可被廣泛應用于各種磁性系統(tǒng)的研究中.
　　 論文在系統(tǒng)研究空間磁場無旋特性及其基本微分方程、以邊界法向磁通密度為邊界條件的微分方程求解理論、基于等弦高準則的自適應測量方法以及基于邊界磁通迭代優(yōu)化的二次重構方法等相關理論與方法的基礎上，進而通過電磁流量計（管段式、插入式）測量空間內磁場與電磁馬達（三自

3、由度球形馬達、三相勵磁旋轉馬達）工作空間內磁場的重構實例，對磁場重構方法及其基礎理論進行不同勵磁源（電磁鐵、永磁體）、不同磁場類型（穩(wěn)態(tài)、似穩(wěn)態(tài)）、不同邊界條件（黎曼邊界條件、混合邊界條件）、不同重構空間（規(guī)則、非規(guī)則幾何空間）及不同求解方法（數值、解析、分域解析）下的全面、深入闡述與驗證.在此基礎上，開展電磁流量計（機械能轉電能）與電磁馬達（電能轉機械能）的電-機械能量轉換特性研究，提出并研究基于測量空間內磁場重構的電磁流量計干標定方

4、法及基于轉子外圍空間磁場重構的三自由度球形電磁馬達力矩計算方法：前者以測量空間內磁場重構模型為核心，采用多場耦合（磁場、電場與流場）數值計算判定流量計一次傳感器靈敏度系數，實現無需任何實際液體情況下的流量計標定，在不經任何實流標定修正的情況下標定誤差小于0.5％，為有效解決大口徑電磁流量計標定這一國際性難題提供了新的方案；后者基于轉子外圍空間磁場的解析重構模型，采用洛倫茲力法建立馬達力矩解析計算模型，為馬達控制模型參數估計等后續(xù)研究奠定

5、基礎。
　　 論文主要研究內容如下：
　　 1．無旋磁場重構理論的研究。
　　 磁場重構基本思想出發(fā)，基于空間磁場的無旋特性，以標量磁勢拉普拉斯方程作為描述此類磁場的基本微分方程，進而系統(tǒng)研究如何為求解這一微分方程提供適當的邊界條件，針對三個關鍵問題：邊界條件確定，測量點優(yōu)化以及真實邊界構造，分別研究以邊界法向磁通密度為邊界條件的微分方程求解理論、基于等弦高準則的自適應測量方法以及基于邊界磁通迭代優(yōu)化的二次重構方

6、法等相關理論與方法.通過對以上基礎理論與方法的系統(tǒng)研究，形成基于邊界法向磁通密度逐點測量的無旋磁場重構方法.
　　 2．電磁流量計測量空間內磁場重構及干標定方法研究．
　　 管段式電磁流量計：研究通過霍爾探頭逐點掃描方式確定電磁流量計測量管內壁法向磁通密度分布的方法與裝置，以此為基礎重構電磁流量計測量空間內的三維磁場分布，其中包括測量點優(yōu)化、盲區(qū)磁場二次重構等理論的實際應用與驗證；研究電磁流量計數學模型，以磁場重構模型結

7、合權重函數數學模型與測量介質的流體動力學模型，提出并研究基于多場耦合數值計算的電磁流量一次傳感器靈敏度系數計算方法，實現電磁流量計干標定，并通過與理想流場和非理想流場下的實流標定（濕標定）數據對比對該方法進行實驗驗證．
　　 插入式電磁流量計：針對插入式探頭外圍非規(guī)則測量空間內磁場，首先研究其數值重構方法，進而提出并研究一種針對非規(guī)則場域內磁場的分域解析重構方法。
　　 3．電磁馬達工作空間內磁場重構及力矩計算方法研究。

8、
　　 三自由度球形電磁馬達：基于已獲取的關于該三自由度球形電磁馬達的相關數據，研究并驗證其轉子外圍工作空間磁場的數值和解析重構方法；利用現有測量數據噪聲較大的特點，就測量噪聲對測量點優(yōu)化算法的影響等問題展開討論與分析；在此基礎上，通過洛倫茲力法建立基于磁場重構解析模型的馬達力矩計算模型，并進行與現有實驗數據的對比驗證。
　　 三相勵磁旋轉馬達：研究并利用三相勵磁旋轉磁場隨空間分布的周期復現特性，以霍爾傳感器陣列實時測量