有限元方法在计轴传感器磁场中的应用

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1、摘要计轴设备是铁路系统中实时检查所管辖区段占用或空闲状态的监测设备。计轴传感器在日本、西欧和美国等发达国家己使用。我国研制计轴传感器处于初期。全国约需计轴传感器巧万对以上。因此，开发出一套使用简单、功能强大的计轴设备是勇待解决的工程问题，它的研制开发可应用在高速铁路信号和其他信号领域中。作为计轴系统核心部分的计轴传感器，其详尽磁场分布规律和定量分析的文献国内外公开甚少。准确分析和计算计轴传感器中磁场时空分布是计轴传感器优化设计和研制的关键课题。计轴传感器中磁场分布的难点主要表现为不对称的非线性开域时

2、变磁场，由于其不对称性，无法建立二维磁场的模型，只能建立三维磁场的计算模型，计算量大，其计算精度和稳定性要求高。在数值计算方法中，有限元法占有绝对主要的地位。针对计轴传感器中磁场分布的难点，本文选择有限元方法对其进行求解。通过计轴传感器对应的电磁场数学模型的约束方程组，以似稳场的判定条件，确定了计轴传感器周围磁场属于非线性似稳磁场。引入矢量磁位注，推导出了计轴传感器磁场的偏微分方程。利用变分方法，得到了计轴传感器磁场的三维有限元离散方程的表达形式。借助于Ansoft公司的Maxwell软件对计轴传感

3、器模型的三维磁场的有限元代数方程组进行了求解，获得了对于发射线圈水平位置、垂直位置、倾斜角度变化时，接收线圈中磁场的变化规律，确定了发射线圈的最佳安装位置，其结果与实验相吻合。并给出了磁场分布图。分析了加入非线性铁磁材料对于计轴传感器中磁场的影响。从而为计轴传感器安装位置的确定和优化设计提供了依据。关键询电磁场理论;有限元方法;计轴传感器;非线性似稳磁场·笼.AbstractAxle-countingequipmentisthemonitoringdeviceinrailwaysystem.This

4、devicecheckstheruledregionwhereistakinguporidlebythetraininrealtime.Axle-countingsensorhasalreadybeenadoptedinJapan,WesternEuropeandU.S.A.,andotherdevelopedcountries.Todevelopaxle-countingsensorisstillininitialstageinourcountry.Nearlyabove150,000pairso

5、faxle-countingsensorareneededinthewholecountry.Therefore,itisanengineeringquestiontobesolvedindevelopinganidealaxleequipmentwhichcanbeusedsimplyandhasstrongfunction,anditwillbeappliedinsignalandothersignalfieldsofhigh-speedrailway.Asthekeypartoftheaxle

6、-countingsystem,thedocumentofnumericalsimulationaboutitsmagneticfielddistributionlaworquantitiveanalysisaroundaxle-countingsensorhaslessbeenpublishedbothathomeandatabroad.Itisakeysubjectforoptimizationdesignorresearchoftheaxle-countingsensortocalculate

7、andanalyzeitsmagneticfielddistributioncorrectly.Thedificultpointofthemagneticfielddistributionaroundaxle-countingsensorisshownastheasymmetricnon-linearandtime-varyingandopenboundarymagneticfield,unabletosetupmodelsofthetwo-dimensionalmagneticfieldbecau

8、seofitsasymmetry,canonlysetupcalculationmodelsofthethree-dimensionalmagneticfield,thecalculatingamountisgreat,itscalculationprecisionandstabilityareexpectedmuch.Finiteelementmethodoccupiesmainstatusdefinitelyinnumericalcalculationandhas