一種磁屏蔽效能估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明所描述的技術(shù)涉及一種高穩(wěn)定性直流大電流校準(zhǔn)系統(tǒng)，尤其涉及一種電流 比較儀的屏蔽效能估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁調(diào)制鐵芯是電流比較儀的核心部件，磁調(diào)制器鐵芯的性能直接影響了電流比較 儀的技術(shù)指標(biāo)，而磁調(diào)制鐵芯容易被磁場(chǎng)干擾，且電流比較儀在使用過(guò)程中周圍不可避免 地存在著磁場(chǎng)，所以磁調(diào)制鐵芯一般需要被屏蔽。長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)電流比較儀的電磁屏蔽設(shè)計(jì) 一直是采取經(jīng)驗(yàn)的方法。對(duì)于電流比較儀屏蔽體的屏蔽效能估算有多種不同的方法，比如 有平面波屏蔽理論、電路近似理論和基于麥克斯韋方程組的場(chǎng)分析法?？墒且?yàn)殡姶牌帘?的效果與屏蔽體的尺寸如形狀，材料等眾多因素有關(guān)，并且干擾電磁場(chǎng)的頻帶分布不同也 會(huì)影響到屏蔽效能，而電流比較儀的屏蔽體形狀相對(duì)比較復(fù)雜，如果用上面提到的幾種方 法進(jìn)行計(jì)算，不得不采用大量的近似，使得計(jì)算結(jié)果的可靠性降低，導(dǎo)致由此設(shè)計(jì)出來(lái)的電 磁屏蔽裝置或者效果不好，或者體積龐大，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失甚至研究工作的失敗。所 以，迫切需要一種較為精確的方法來(lái)對(duì)屏蔽體的屏蔽效能進(jìn)行較為可靠的計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于有限元分析的電流比 較儀屏蔽效能估算方法，并將其應(yīng)用于電流比較儀屏蔽體的設(shè)計(jì)中。
[0004] 本發(fā)明提供一種磁屏蔽效能估算方法，具體包括如下步驟：1)建立屏蔽體任意外 加靜磁場(chǎng)的模型；2)網(wǎng)格剖分；3)設(shè)置邊界條件；4)選取節(jié)點(diǎn)計(jì)算平均值；5)計(jì)算屏蔽效 能。
[0005] 進(jìn)一步地，其中，在步驟3)、4)之間還有計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的步驟。
[0006] 進(jìn)一步地，其中所述建立屏蔽體任意外加靜磁場(chǎng)的模型過(guò)程中，將外加磁場(chǎng)分解 成外加軸向磁場(chǎng)和外加徑向磁場(chǎng)，其中，在軸向的外加均勾磁場(chǎng)的條件下，三維的模型可以 簡(jiǎn)化成二維模型。
[0007] 進(jìn)一步地，在計(jì)算中引入了標(biāo)量磁位f和矢量磁位A，在二維計(jì)算問(wèn)題中使用矢量 磁位A，在三維計(jì)算時(shí)使用標(biāo)量磁位爭(zhēng)*
[0008] 進(jìn)一步地，其中場(chǎng)域是一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)，用標(biāo)量磁位來(lái)描述，則：
[0010] 用矢量磁位來(lái)表示，貝1J :
[0012] 式（1)、⑵中，ci (i = 1，2,3,4)是指磁屏蔽體截面的4個(gè)邊界，1是指磁屏蔽體 的內(nèi)半環(huán)長(zhǎng)度，式（1)和（2)的解法基本相同，把兩式用一個(gè)統(tǒng)一的形式表示，更一般地描 述為：設(shè)Ω為磁場(chǎng)區(qū)域，其邊界條件由第一類條件si和第二類邊界條件 S2組成，區(qū)域本身 由媒質(zhì)分界線1分隔為Qa和Qb，并規(guī)定在媒質(zhì)分界線1的法線方向即η的方向從Qa指 向Qb，則：
[0014] 把上式的第一行改寫(xiě)成：
[0016] 在其兩端乘上變分δ u，并在Ω內(nèi)對(duì)X，y二重積分，得：
[0018] 利用高斯積分公式，可以得到：
[0020] 考慮到各項(xiàng)的積分區(qū)域，可得：
[0022] 其中X、y、z為函數(shù)在三個(gè)坐標(biāo)軸上的變量，q為電荷量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，n、u為 積分變量。
[0023] 進(jìn)一步地，其中所述選取節(jié)點(diǎn)計(jì)算平均值具體為：對(duì)于外加軸向磁場(chǎng)，在內(nèi)部空氣 隙內(nèi)，圍繞幾何中心，取若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后取平均值作為外加軸向磁 場(chǎng)條件下內(nèi)部空氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0024] 進(jìn)一步地，其中所述選取節(jié)點(diǎn)計(jì)算平均值具體為：對(duì)于外加徑向磁場(chǎng)，在屏蔽體空 腔內(nèi)，截取橫截面，圍繞屏蔽體幾何中心，取若干個(gè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)路徑，節(jié)點(diǎn)間隔為2_，計(jì) 算路徑上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后取平均值。
[0025] 進(jìn)一步地，其中設(shè)置邊界條件的方法為，在屏蔽體空腔內(nèi)，圍繞幾何中心設(shè)置邊 界，取若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后取平均值。
[0026] 進(jìn)一步地，其中計(jì)算屏蔽效能的方法為，在屏蔽體空腔內(nèi)，圍繞幾何中心，取若干 個(gè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)路徑，計(jì)算路徑上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后取平均值作為該磁場(chǎng)條件下，內(nèi)部 空氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0027] 技術(shù)效果：
[0028] 在屏蔽效能的分析和估算過(guò)程中，屏蔽效能與屏蔽體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如屏蔽體的材 料、厚度、橫截面邊長(zhǎng)以及內(nèi)徑有一定的關(guān)系，但這種關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的單調(diào)遞增或遞減關(guān) 系。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)，在屏蔽體實(shí)際設(shè)計(jì)中，建立屏蔽效能與屏蔽體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的復(fù)雜 關(guān)系，進(jìn)而得到最優(yōu)的屏蔽體設(shè)計(jì)方案，以便適應(yīng)特定的現(xiàn)場(chǎng)特性，獲取最佳屏蔽效果。
[0029] 本發(fā)明的應(yīng)用對(duì)象是基于磁調(diào)制和磁放大雙重檢測(cè)原理的電流比較儀，運(yùn)用有限 元分析方法對(duì)電流比較儀的磁屏蔽效能進(jìn)行分析和估算。在分析過(guò)程中，將外加磁場(chǎng)分解 為外加軸向磁場(chǎng)和外加徑向磁場(chǎng)，分別對(duì)兩種不同外加磁場(chǎng)下的屏蔽效能進(jìn)行估算，并將 估算結(jié)果與磁路法計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行比較，二者的結(jié)果比較接近，由此可見(jiàn)，本發(fā)明技術(shù) 方案對(duì)磁屏蔽效能的估算具有重要的參考意義廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明磁屏蔽體的剖視圖
[0031] 圖2是本發(fā)明磁屏蔽體的效能估算流程
[0032] 圖3是本發(fā)明外加軸向磁場(chǎng)時(shí)的磁力線分布
[0033] 圖4是本發(fā)明外加軸向磁場(chǎng)時(shí)的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)
[0034] 圖5是本發(fā)明有限元法計(jì)算時(shí)軸向磁場(chǎng)模擬圖
[0035] 圖6是本發(fā)明屏蔽體置于徑向磁場(chǎng)中時(shí)磁力線的分布圖
[0036] 圖7是本發(fā)明徑向磁場(chǎng)中磁屏蔽體模型
[0037] 圖8是本發(fā)明有限元分析軟件生成的磁屏蔽體的三維計(jì)算模型
[0038] 圖9是本發(fā)明邊界條件及節(jié)點(diǎn)選取圖
[0039] 圖10是本發(fā)明未加屏蔽體時(shí)空氣中磁場(chǎng)分布云圖
[0040] 圖11是本發(fā)明加入屏蔽體后磁場(chǎng)分布云圖
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方法對(duì)本發(fā)明作 進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0042] 參見(jiàn)圖1，示出了本發(fā)明的電流比較儀磁屏蔽體的一般結(jié)構(gòu)的剖視圖，其為空腔圓 環(huán)結(jié)構(gòu)，空腔截面為具有一定壁厚的矩形或正方向結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可以是其他形狀。
[0043] 參見(jiàn)圖2,示出了本發(fā)明的電流比較儀磁屏蔽體的效能估算流程，具體包括如下步 驟：1)建立模型；2)網(wǎng)格剖分；3)設(shè)置邊界條件；4)計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度分布；5)選取節(jié)點(diǎn)計(jì)算 平均值；6)計(jì)算屏蔽效能：用加入磁屏蔽體后空腔內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與沒(méi)有屏蔽時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 相比較即為屏蔽效能。其中，第4)步根據(jù)情況可以省略掉。
[0044] 具體而言，本發(fā)明將外加磁場(chǎng)分解為外加軸向磁場(chǎng)和外加徑向磁場(chǎng)，并分別對(duì)兩 個(gè)方向下的磁屏蔽效能進(jìn)行分析和估算。首先進(jìn)行建模。有限元分析的最終目的是建立實(shí) 際工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。廣義上而言，模型應(yīng)包括所有的節(jié)點(diǎn)、元素、材料特性、邊界條件 等，以及所有反映物理系統(tǒng)的特征。在有限元分析軟件中，建立模型的含義要窄的很多，僅 僅是指建立空間模型。結(jié)合本發(fā)明的具體問(wèn)題，僅僅討論實(shí)體建模（Solid Modeling)，而不 涉及直接生成有限元模型（Direct Modeling)。對(duì)于二維問(wèn)題，有限元分析軟件提供了足夠 的圖形生成和圖形操作能力，加之所需的模型為規(guī)則形狀，因此問(wèn)題比較簡(jiǎn)單。采用三維模 型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，模型的建立比較復(fù)雜，可以選用有限元分析軟件本身所帶的圖形功能，也可 以使用繪圖軟件來(lái)創(chuàng)建幾何模型，然后利用其與有限元分析軟件的圖形接口將其導(dǎo)入有限 元分析軟件中進(jìn)行有限元計(jì)算。
[0045] 當(dāng)外加軸向磁場(chǎng)時(shí)，由于屏蔽體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，將實(shí)體模型簡(jiǎn)化為二維建模；當(dāng)外 加徑向磁場(chǎng)時(shí)，不能簡(jiǎn)化，需采用三維建模。完成建模后，采用有限元分析的方法對(duì)模型進(jìn) 行網(wǎng)格剖分、設(shè)置邊界條件以及計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布。然后，在內(nèi)部空氣隙內(nèi)選取節(jié)點(diǎn)，求 取多個(gè)節(jié)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值，將該平均值作為內(nèi)部空氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度。最后，依照屏蔽效 能計(jì)算公式估算屏蔽體的屏蔽效能。
[0046] 下面針對(duì)上述六個(gè)步驟進(jìn)行具體說(shuō)明：
[0047] 1)建立電流比較儀屏蔽體任意外加靜磁場(chǎng)的有限元模型。
[0048] 在模型建立過(guò)程中，將外加磁場(chǎng)分解成外加軸向磁場(chǎng)和外加徑向磁場(chǎng)，分別對(duì)兩 個(gè)不同方向外加磁場(chǎng)下的屏蔽效能分析，從而達(dá)到簡(jiǎn)單詳細(xì)的對(duì)任意外加磁場(chǎng)屏蔽效能的 估算。因此，存在兩種情況，a)在軸向的外加均勻磁場(chǎng)的條件下，三維的模型可以簡(jiǎn)化成二 維模型；b)在外加徑向磁場(chǎng)時(shí)，三維模型不能等效為二維模型，因此在屏蔽效能估算時(shí)采 用三維模型。
[0049] 在分析和計(jì)算比較儀電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，為了求出場(chǎng)量和場(chǎng)源之間的關(guān)系，本發(fā)明中 引用了位函數(shù)作為輔助量進(jìn)行計(jì)算，具體來(lái)說(shuō)，引入了標(biāo)量磁位f和矢量磁位A，叔=-▽步，B =-▽ XA。在二維計(jì)算時(shí)使用矢量磁位A，在三維計(jì)算時(shí)使用標(biāo)量磁位爐
[0050] 參見(jiàn)圖4,假設(shè)磁屏蔽體的厚度為a，磁屏蔽體截面邊長(zhǎng)為c，磁屏蔽體的內(nèi)半環(huán)長(zhǎng) 度為1。對(duì)于圖4所描述的情形，場(chǎng)域是一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)，用標(biāo)量磁位φ來(lái)描述，則為如下公 式：
[0052] 式⑴中，Cl(i = 1，2,3,4)是指磁屏蔽體截面的4個(gè)邊界，1是指磁屏蔽體內(nèi)半 環(huán)長(zhǎng)度。
[0053] 用矢量磁位A來(lái)表示，則為如下公式：
[0055] 利用有限元法計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)，式（1)和（2)的解法基本相同，可把兩式用一個(gè)統(tǒng)一的 形式表示，則更一般地描述為：設(shè)Ω為磁場(chǎng)區(qū)域，其邊界條件由第一類條件Sl和第二類邊 界條件S