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努力了的才叫夢(mèng)想,不努力的就是空想!如果你一直空想的話,無(wú)論看多少正能量語(yǔ)錄,也趕不走滿滿的負(fù)能量!你還是原地踏步的你,一直在看別人進(jìn)步。矩形激勵(lì)線圈的分析摘要:本文由畢奧?D莎伐定律出發(fā),首先討論了由一定長(zhǎng)度的線電流源和矩形環(huán)流源的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布,然后在此基礎(chǔ)上,詳盡的論述了基于體電流源的矩形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。一、引言 載流線圈是大量電工設(shè)備中不可缺少的裝置 ,是科學(xué)研究和工程問題中最常用的一種磁體 ,在線圈磁體的設(shè)計(jì)與研制中 ,常需要計(jì)算線圈的磁場(chǎng)分布。由于工程實(shí)際需要和研究問題方便 ,人們對(duì)軸對(duì)稱線圈進(jìn)行了大量而廣泛的研究,取得了大量成果。在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中 ,矩形線圈的應(yīng)用也是相當(dāng)廣泛的,但人們對(duì)矩形線圈的研究卻很少 ,僅研究了長(zhǎng)方形載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)計(jì)算問題 ,而未真正涉及矩形線圈的磁場(chǎng)計(jì)算。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)弱磁場(chǎng)或者對(duì)不均勻磁場(chǎng)的測(cè)量,都需要一個(gè)激勵(lì)源,以產(chǎn)生在一定體積范圍內(nèi)具有一定磁場(chǎng)強(qiáng)度(一般為幾個(gè)nT到0.1mT)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。在實(shí)際運(yùn)用中,用于產(chǎn)生勻強(qiáng)的裝置很多,如螺線管、Helmholtz線圈、矩形線圈等,在本文設(shè)計(jì)的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)采用的是矩形線圈,本文將對(duì)矩形線圈產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的原理及計(jì)算方法進(jìn)行詳盡的分析。二、具有一定長(zhǎng)度帶電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)計(jì)算 根據(jù)畢奧?D莎伐定律,空間線電流源產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為: (1) 式中: B?D空間點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,其方向垂直于直導(dǎo)線與空間點(diǎn)構(gòu)成的平面; ?D真空導(dǎo)磁率(4p10-7Tm/A); I?D導(dǎo)線的電流強(qiáng)度; l?D導(dǎo)線長(zhǎng)度; R?D源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離; eR?DR方向的單位矢量。 為了計(jì)算具有一定長(zhǎng)度的電流源在其周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng),建立如圖1坐標(biāo)系,并用畢奧?D莎伐定律的積分形式: (2) 電流的方向?yàn)镮i (x方向),場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo)為P(0,0,Z)=Zk,而導(dǎo)線上的點(diǎn)可以表述為(x,Y,0)=xi+Yj,則有 帶入上式,利用 計(jì)算可得: (3) (4) (5) (6) 對(duì)于一般的情況而言: ?D該空間點(diǎn)到帶電導(dǎo)線的垂直距離,即|PQ|, ; a?D導(dǎo)線底端到該空間點(diǎn)在導(dǎo)線上投影間的距離,即|QA|; b?D導(dǎo)線頂端到該空間點(diǎn)在導(dǎo)線上投影間的距離,即|QB|; Y?D 在XOY平面的投影,即|OQ|; Z?D 在XOZ平面的投影,即|OP|。這樣空間點(diǎn)與其在導(dǎo)線和XOY平面的投影點(diǎn)構(gòu)成一直角三角形DPOQ。三、矩形環(huán)流的磁場(chǎng)計(jì)算 矩形線圈的每匝相當(dāng)于矩形環(huán)流,因此我們首先分析矩形環(huán)流在空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算。這里使用疊加原理,即考慮在空間中矩形環(huán)流四條邊(有一定長(zhǎng)度的帶電導(dǎo)線)的疊加效果,從而可得到在Z方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和為: (76) 式中的B1z、B2z、B3z、B4z分別表示的是矩形線圈四條邊對(duì)空間點(diǎn)產(chǎn)生的Z方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度,也就是由公式(5)推導(dǎo)得到的結(jié)果。對(duì)于1邊產(chǎn)生的磁場(chǎng),首先做出如圖2中的三角形,依據(jù)上一部分的推導(dǎo)可以很容易得到該條邊產(chǎn)生的Z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,其他幾條邊的推導(dǎo)相同,在此不再贅述。 (8) 式中:I?D矩形環(huán)流的通電電流強(qiáng)度; P?D空間點(diǎn),坐標(biāo)為(X,Y,Z); 2a、2b?D矩形線圈的長(zhǎng)和寬。 本文設(shè)計(jì)的矩形線圈將用于無(wú)損檢測(cè)的激勵(lì)磁場(chǎng)的產(chǎn)生,因此關(guān)心的是矩形每條邊垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況,也就是1、3邊將產(chǎn)生的x方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度,以及2、4邊產(chǎn)生的y方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度,因此有以下的結(jié)論: (9)(10) 四、矩形線圈磁場(chǎng)的積分計(jì)算 以上對(duì)一定長(zhǎng)度的帶電導(dǎo)線以及矩形環(huán)流在其四周產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析,下面在此基礎(chǔ)上詳盡介紹矩形線圈作為激勵(lì)源產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。為了便于分析,對(duì)矩形線圈建立如圖3的坐標(biāo)系,由體電流源產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,可以通過下式進(jìn)行計(jì)算: (11) 對(duì)于矩形線圈建立的坐標(biāo)系,可以知道,一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的矢量可以表述為: ,一個(gè)源點(diǎn)的矢量可以表述為 ,空間任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以看作是矩形四邊的線圈共同作用的結(jié)果,同樣有以下的結(jié)論: 對(duì)于區(qū)域1和區(qū)域3只可能產(chǎn)生x、z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,而區(qū)域2和區(qū)域4只可能產(chǎn)生y、z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,下面分析區(qū)域1產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布: 由(11)式可得: (12) 其中: ; 在這里考慮的是矩形線圈,線圈的厚度相同,因此這里k1=1,其它幾個(gè)方向在其周圍產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度推導(dǎo)過程相同,其各自的電流可以分別描述為-Ji,-Jj,Ji,其具體的論證在此就不再贅述,以下就是分析得到的結(jié)果: (13) 其中: ; 另外,對(duì)于區(qū)域3有: (14) 其中: ; 對(duì)于區(qū)域4有: (15) 其中: ; 因此對(duì)于空間任意一點(diǎn),在坐標(biāo)軸方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布可以通過下列計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算: (16) 下面分析y方向上的磁場(chǎng)分布情況: (17) 矩形線圈的四條邊對(duì)空間的任意一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生z方向上的磁場(chǎng),因此由下式存在:(18) 下面再介紹一下對(duì)上述(12)、(13)、(14)、(15)式進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算的方法。在此介紹的使用復(fù)化梯形的方法,其積分形式如下: 對(duì)區(qū)間a,b和c,d分別選取正整數(shù)m和n,在x軸和y軸上分別有步長(zhǎng): 用復(fù)化梯形公式計(jì)算 ,計(jì)算中將x視為常數(shù),有: (19) 在將y當(dāng)作常數(shù),在x方向上計(jì)算(19)式,最終可得到下面的結(jié)論: (20) 由分析可知,積分區(qū)域的4個(gè)角點(diǎn)的系數(shù)是1/4,4個(gè)邊界的系數(shù)是1/2,內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)的系數(shù)是1,積分結(jié)果的誤差可以通過下式得到: (21) 其
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