基于亥姆霍兹线圈的大尺寸均匀电磁场模拟

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1、2015年2月第41卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2015V01．4lNo．2http：／／bhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．allDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0168基于亥姆霍兹线圈的大尺寸均匀电磁场模拟黄松涛“，张伟2，(1．北京石油化工学院机械工程学院，北京102617；2．张鹏飞2，祁泽武2北京航空航天大学机械工程及自动化学院．北京100191)摘要：针对外层空间物理环境模拟

2、系统的技术要求，基于亥姆霍兹线圈的工作原理，采用一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈构成了Helmhohz线圈，结合恒流源和单片机控制技术，设计了电磁场模拟系统．采用ANSYSWorkbench有限元分析软件对正方形Helmholtz线圈的电磁场分布进行了数值模拟，重点考察了线圈x轴、y轴和线圈表面附近的电磁场分布，在此基础上设计了线圈结构参数．对所设计的正方形Helmholtz线圈内部12个关键点的电磁场进行了测量，结果表明线圈内的磁感应强度和磁场均匀性能够满足环境模拟系统的要求．关键词：亥姆霍兹线圈；均匀磁场；有限元；ANSYS；恒流源中图分类

3、号：TP271．4文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)02-0203-06外层空间指的是地球大气层及其他天体之外的虚空区域．外层空间含有密度很低的物质，以等离子态的氢为主，温度变化剧烈，还有空间辐照、电磁场等．其中，空间电磁场环境效应对航天器的负面影响是长期的、潜在的，尤其对航天器姿态控制系统(比如光纤陀螺等)的影响是一个长期的累积过程．随着航天器长寿命、高可靠性要求的提高，空间电磁场环境效应研究的重要性Et显突出，模拟空间电磁环境对航天关键设备进行性能测试和可靠性试验具有十分重要的意义⋯．自从美国1958年“先锋一号”电磁效应影响飞行任务的事故开始

4、，国内外就开始了航天器磁场环境工程研究．我国先后研制了用于航天器部件磁场环境试验的CMl和CM2超大型弱磁场环境模拟设备，其中CMl的最大线圈边长为4m，CM2的最大线圈边长为16m，最大磁感应强度为0．06mT，目前世界上只有美国、日本和德国有同类设备⋯．而在小尺寸电磁场环境模拟方面。Alamgir和Wang等采用亥姆霍兹(Helmhohz)线圈模拟磁场环境，并对磁场的分布、均匀性进行了深入的研究，其线圈边长一般为100Bin左右，磁感应强度大都低于0．5mT¨⋯．本文针对某型号光纤陀螺性能测试的要求，基于Helmhohz线圈的工作原理，采用一对匝数、边长、高度和厚

5、度相同的共轴平行放置的矩形线圈构成了正方形Helmhohz线圈(线圈边长为384mm，线圈中心磁感应强度不低于2mT)，实现了大尺寸较强磁场环境的模拟¨。1．采用有限元分析方法，借助ANSYSWorkbench分析软件对上述正方形Helmhohz线圈的电磁场进行了分析，在此基础上设计了线圈的结构、匝数、电流等关键参数，并对研制成功的正方形Helmhohz线圈的电磁场分布进行了测量，电磁场的磁感应强度和磁场分布的均匀性均能满足技术要求．收稿日期：2014-03—31；录用日期：2014-08-25；网络出版时间：2014．10-3011：02网络出版地址：www．enk

6、i．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．1001．5965．2014．0168．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175046)；中央高校基本科研业务费资助项目(YwF．14．JXXY-012){通讯作者：黄松涛(1977～)，男，湖北天门人，讲师，huangsongtao@me．buaa．edu．ell，主要研究方向为特种电源技术．引用格式：黄松涛，张伟，张鹏飞，等．基于亥姆霍兹线田的大尺寸均匀电磁场模拟UJ．北京航空航天大学学报，2015，41∞)：203．208，HuangST，ZhangW．ZhangPF，etalLargesc

7、aleuniformelectromagneticfieldsimulationbasedonHelmbohzcoillJ]．JourealofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f2)：203．208(inChinese)．204北京航空航天大学学报2015年1电磁场技术指标及构成根据外层空间物理环境模拟系统的要求，所设计的电磁场主要技术指标如下：1)磁场强度：±2mT；2)磁场的外形尺寸要求：长度≤390mm，宽度≤390mm，高度≤350mm；3)线圈内部中心200mm×20