大型零磁装置的磁场分析方法研究

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1、博士学位论文大型零磁装置的磁场分析方法研究RESEARCHONTHEMAGNETICFIELDANALYSISMETHODOFTHELARGE-SCALEFACILITYFORNEARLYZEROMAGNETICFIELDENVIRONMENT孙芝茵哈尔滨工业大学2016年9月万方数据国内图书分类号：TM301.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文大型零磁装置的磁场分析方法研究博士研究生：孙芝茵导师：李立毅教授申请学位：工学博士学科：电机与电器所在单位：电气工程及自动化

2、学院答辩日期：2016年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TM301.2U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEMAGNETICFIELDANALYSISMETHODOFTHELARGE-SCALEFACILITYFORNEARLYZEROMAGNETICFIELDENVIRONMENTCandidate：SunZhiyinSupervisor：Prof.LiLiyiAca

3、demicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachineandApparatusAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：Sep.,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据摘要摘要近零磁场环境是指磁场极其微弱的环境，在前沿科学、航天国防等方面都具有独特的应用。哈尔滨工业大学

4、承担的国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟设施”包含空间磁环境模拟与研究系统，也是我国弱磁、中磁、强磁磁场环境设施体系的重要部分。零磁装置屏蔽地磁场和各类磁场干扰，实现近零磁场环境，提供了进一步实现高精度可控弱磁场的条件。本课题的研究对象是内部尺寸为房间大小的大型零磁装置，研究内容是零磁装置性能的准确分析方法，为建设国际先进水平的零磁装置提供理论基础。屏蔽材料的磁特性是分析零磁装置特性的必备输入条件。本论文依据测试标准测量了常用屏蔽材料坡莫合金的直流、交流磁特性。根据测试原理改进了测试系统，首次获得了低磁

5、场下材料的直流磁化曲线、极低频率下材料的交流磁化曲线和磁滞回线，拓展了材料磁特性的测量范围。建立了适用于坡莫合金的磁滞模型，并通过材料样品实验确定了磁滞模型参数。屏蔽系数是零磁装置的一个重要评价指标，采用屏蔽前磁场强度与屏蔽后磁场强度的比值表示，代表了对外界磁场的屏蔽能力。本论文阐述了静态磁场屏蔽和时变磁场屏蔽的机理，采用屏蔽系数解析法分析了球形屏蔽的屏蔽性能。为了准确分析实际工程中常用的正方体等不可解析形状的屏蔽体，针对零磁装置大小尺度共存引起的剖分问题，建立了以等效面代替屏蔽薄层的改进有限元模型，能够有

6、效分析屏蔽体边角、孔洞的漏磁影响。针对大型零磁装置屏蔽层内的坡莫合金板材之间存在气隙的问题，本论文提出了考虑非线性、不连续搭接结构的等效磁导率计算方法，并通过环形样件实验进行了验证。剩余静态磁场是零磁装置内部的另一个重要评价指标，是内部空间中的静态磁场幅值。剩余静态磁场与屏蔽系数有关，但更决定于屏蔽材料自身的磁化强度。为了减小材料的剩磁，零磁装置必须进行退磁。本论文首次提出了基于磁滞模型的退磁过程计算方法，能够定量计算3维软磁材料在退磁过程中和退磁结束后的磁场强度和磁感应强度，并通过对环形样件和具有弯曲回路

7、的复杂样件的退磁实验进行了验证。基于该方法分析退磁电流参数对材料剩磁的影响、特定退磁线圈组态下屏蔽层的退磁效果，获得了以上退磁参数对剩余静态磁场的影响规律。综合分析零磁装置的屏蔽作用与退磁效果，本论文首次给出了退磁技术决定剩余静态磁场的定量解释：通过施加退磁磁场控制屏蔽材料的磁化强度与外界磁场达到平衡，使得装置内部空间的磁感应强度为最低状态，这一过程是磁-I-万方数据哈尔滨工业大学博士学位论文平衡动态过程。提出了一种零磁装置新结构，在屏蔽体具有退磁孔洞的情况下，通过结构参数设计使屏蔽系数达到最优值，且剩余静

8、态磁场这一指标不受影响。通过德国联邦物理技术研究院BMSR-2装置和慕尼黑工业大学零磁装置的实验，验证了基于本论文中的磁场分析方法。总之，本论文测量了坡莫合金材料磁特性；提出了基于等效磁导率的屏蔽系数计算方法，以准确预估零磁装置的屏蔽性能，并能够计算装置本身的屏蔽材料与装置内部线圈磁场的耦合效应；提出了退磁过程或称磁动态平衡过程的计算方法，以计算零磁装置的剩余静态磁场；提出了一种零磁装置新结构，可以提高屏蔽系数，