【引信射频装定系统电磁耦合分析8100字】

引信射频装定系统电磁耦合分析目录TOC\o"1-3"\h\u4214引信射频装定系统电磁耦合分析 1291731.1电磁场理论 1153921.1.1麦克斯韦方程 120091.1.2静磁场电感计算 28851.1.3涡流场电感计算 371661.1.4互感理论模型 5310321.2耦合线圈理论设计 6210441.2.1耦合线圈缠绕方式的选择 614621.2.2线圈间距对电感的影响 8160041.2.3线径对电感的影响 9117881.2.4耦合线圈轴向距离对互感的影响 955781.3耦合线圈金属环境影响 11284141.1.1金属材料影响机理 11224741.1.2引信接收器金属环境的影响 1338721.1.3引信接收器金属环境影响的补偿方案 181.1电磁场理论1.1.1麦克斯韦方程麦克斯韦方程包含高斯磁场连续性法则、高斯电流定律、安培环路定律以及法拉第电磁感应定律等四大法则。(1)安培环路定律：ΓH式中，Γ为环路定律中的Ω的边界，J为传导电流密度矢量，∂D∂t为位移电流密度（A/m2），D为电通密度（C/m2(2)法拉第电磁感应定律：ΓEE为电场强度（v/m）,B为磁感应强度（T）。(3)高斯电通定律：SDρ为电荷体密度（C/m3），V为封闭表面S所围成的体积区域。(4)高斯磁通定律：SB1.1.2静磁场电感计算①、单层线圈（1）磁链计算Ansoft软件使用其中的静磁场求解器，求解类型设置为麦克斯韦静磁场，分析理论计算磁链，表达式为：ϕ=B∙da=式中，B是磁通密度，a是面积。（2）电感矩阵计算2个闭和回路中，磁链与电流的关系为：λ1上式中，L11为闭合回路1的自感，L12UijUij表示导体i和j之间的磁场储能；I为通过导体i的电流电流，Bi为导体i的单位磁通密度；L=2U由多匝导线构成的导体的电感矩阵为：LnetN为导体的匝数。②、多层线圈为满足有限体积内大功率电能传输，XKT412芯片匹配谐振电感为30uH，采用多层线圈结构，相当于平面螺旋线圈与圆柱形螺旋线圈的结合。多层线圈电感值的增大是因可将其看作是多个相互重叠的电感的串联，电感采用磁场储能公式进行计算，则磁场能量以电感与电流关系所表示的形式为：Wm式中,Wm为计算的磁场储能，L为多层线圈的电感，L=21.1.3涡流场电感计算导体通过交流电时，在所通电流与导体垂直的平面上会有随时间变化的磁场产生，即变电流产生变磁场，涡流效应就是因线圈匝数较多而使得在与导体相邻的导体中感应出涡流的一种现象，采用Maxwell软件进行分析计算，将涡流场设置为其求解类型。通过观察图3-1(a)可以看到直流电通过导体时，导体横截面上的电流均匀分布，交流电通过导体时，会出现中间电流小，电流集中至导体表面的集肤效应，如图3-1(b)所示，所以电阻变大了，所以涡流电感的计算不同于直流电感。(a)(b)图3-1导体中的电流分布Fig.3-1Currentdistributionintheconductor阻抗矩阵计算是表示多匝线圈之间的电压与电流关系，假设两匝线圈位置关系为平行放置，每个电流环内的电压与电流关系可由下式表示：∆V∆V写成矩阵形式为：∆V式中，Z11电流环2的自阻抗为Z电流环1和电流环2的互阻抗为Z计算过程为，Maxwell2D对每一匝线圈单独进行涡流场求解，首先进行第一次场求解，将第一匝线圈通入的电流设定为1A，其它线圈中的电流设为0A，然后进行第二次场求解，将第二匝线圈中通入的电流设定为1A，其他则设为0A，以此类推，对各个导体进行求解。为了计算每一匝线圈的电感，首先计算场解后，再计算系统的平均能量：UAV系统的瞬时能为：UInst电流瞬时值与峰值有以下关系：i=I能量之间有以下关系：UAV=系统的平均能量为：UAV因此电感矩阵为：L=41.1.4互感理论模型采用电感耦合原理的等效电路模型如图3-2所示。图3-2互感耦合模型Fig.3-2Mutualinductancecouplingmodel其中：Vs为电压源，L1和C1为Sender中线圈的电感和电容，R1为初级线圈的寄生电阻。L2和C2为receiver中线圈的电感和电容，R2为次级线圈的寄生电阻。RL为负载电阻。根据基尔霍夫电压定律可列出以下方程：Z1式中，Z1=R1+j(wI1I2系统的输入阻抗特性：从电源端看过去，把发射电路与接收电路均看作负载，系统的输入阻抗ZinZin其中，(wM)2由式(3-28)可得，线圈的自感与互感会影响系统的阻抗特性，从而影响传输效率。1.2耦合线圈理论设计在基于电感耦合的无线传输系统中，耦合线圈的设计关系到系统的耦合性能，线圈设计包括缠绕方式的选择，为获得后续线圈设计的理论依据，对线圈互感与电感的影响因素进行分析，并得出其仿真结果。1.2.1耦合线圈缠绕方式的选择作为数据与能量传输介质的耦合线圈，系统的传输效率和输出功率均受其缠绕方式的影响，如图3-3所示。由于装定器采用手持装定方式工作，装定器的结构决定了不能选择平面矩形螺旋线圈，所以主要对平面螺旋线圈和圆柱形螺旋线圈这两种结构对比分析。图3-3耦合线圈结构Fig.3-3Couplingcoilstructure在Maxwell软件中创建3维线圈模型，首先建立平面圆形螺旋和圆柱形螺旋两种线圈模型，并对两线圈施加激励电流，大小为10A，将25mm设置为理论线圈半径，线圈缠绕15圈，将单一线圈线径选为0.5mm，两匝线圈间距选为0.1mm，设置求解类型为静磁场，求解两种缠绕方式的线圈在径向和轴向的磁感应强度大小，通过比较磁感应强度的大小，选择合理的线圈绕制方式。对于圆柱型螺旋线圈，径向为Y轴上-30mm到30mm的直线，Z轴坐标取线圈高度的一半，轴向为坐标（0，25，0）到坐标（0，25，15）的直线，图3-5所示为圆柱形螺旋线圈在空间的磁感应强度大小。对于平面形螺旋线圈，径向为Y轴上-40mm到40mm的直线，轴向为坐标（0，25，0）到坐标（0，25，10）的直线，图3-6所示为平面形螺旋线圈在空间的磁感应强度大小。(a)螺旋线圈(b)平面线圈(a)Helicalcoil(b)Planarcoil图3-4线圈模型Fig.3-4Coilmodel图3-5圆柱型螺旋线圈空间磁感应强度大小Fig.3-5Spacemagneticinductionintensityofcylindricalspiralcoil图3-6平面型螺旋线圈空间磁感应强度大小Figure3-6Thespatialmagneticinductionintensityoftheplanarspiralcoil从图3-5可以看出，圆柱形螺旋线圈在径向最大磁感应强度为12mT，磁感应强度最大的点为线圈边缘处，在轴向最大磁感应强度为线圈的底部和顶部，最大磁感应强度为18mT。从图3-6可以看出，平面形螺旋线圈在径向的最大磁感应强度为14mT，磁感应强度最大的点为线圈的内径和外径，在轴向的最大磁感应强度为线圈平面上，最大磁感应强度的值为11mT。本系统中的耦合线圈属于同一平面传输，即径向感应传输，此时平面形螺旋线圈最大磁感应强度较大，所以选择平面线圈更合适。1.2.2线圈间距对电感的影响确定采用平面型螺旋线圈，设计理论线圈半径为25mm，铜线线径为0.5mm，线圈匝数为6匝。利用Maxwell软件仿真不同线圈间距的情况下线圈电感量的大小，设置求解类型为静磁场。对线圈添加10A的激励电流，在线圈间距分别为0.01mm、0.05mm以及0.1mm时线圈的电感量。建立线圈模型如图3-7所示。图3-7平面螺旋线圈模型Fig.3-7Planarspiralcoilmodel表3-1不同线圈间距的情况下电感值Table3-1Inductancevalueunderdifferentcoilspacing线圈间距线圈电感值0.01mm1.825892uH0.05mm1.781872uH0.1mm1.724710uH由表3-1得出结论：相邻两匝线圈之间的间距越小，线圈组的电感量越大，即线圈绕的越紧，电感量越大。1.2.3线径对电感的影响利用Maxwell2D软件仿真不同线径对理论线圈电感量的影响，设置求解类型为静磁场。对线圈添加10A的激励电流，线圈半径为25mm，线圈间距为0.05mm，线径分别为0.3mm、0.5mm和1mm的铜质漆包线，计算线圈的电感值。由表3-2可以看出，在其他条件相同的条件下，单根线圈直径越大，电感值越小。表3-2不同线径下的线圈电感值Table3-2Coilinductancevaluesunderdifferentwirediameters线径线圈电感值0.3mm4.315837uH0.5mm1.781872uH1mm1.053082uH1.2.4耦合线圈轴向距离对互感的影响在Maxwell软件中设置求解类型为涡流，建立2D模型，模型如图3-8所示。由于线圈为轴对称结构，所以建立1/4模型，线圈模型关于Z轴对称，具体流程为：（1）设计数据传输线圈线径为0.3mm，能量传输线圈线径为0.5mm，材料为铜质漆包线，线圈间距均为0.05mm，（2）对Sender中的数据施加5A，11.56MHz的交变电流，同理对其中的能量线圈也施加5A，60kHz的交变电流，对于Receiver中的数据、能量线圈不施加电激励，（3）轴向距离分别取10mm、20mm和30mm，分析轴向距离对两个线圈之间互感的影响。图3-8装定系统耦合线圈模型Fig.3-8Couplingcoilmodelofthesettingsystem当两套线圈之间的轴向距离为10mm、20mm和30mm时，随着轴向距离的增加，数据与能量两套传输线圈之间的磁感应强度值减小，由公式ϕ=B∙S可知，两套线圈之间的磁通量减小，M=ϕL，L表示线圈的电感量，所以磁通量值降低，势必会导致线圈之间的互感值减小。表3-3所示为距离为10mm、20mm和30mm的情况下，任意两个轴向分布的线圈之间的互感值。本系统存在两套传输线圈，单套线圈之间径向耦合，所以需要轴向分布的线圈之间的互感值越小越好，表3-3为定量分析，随着轴向距离的增加，MC（Sender能量与数据线圈）、MD（Sender能量线圈与Receiver数据线圈）、ME（Receiver能量线圈与Sender数据线圈）、M表3-3轴向距离变化时轴向线圈之间的互感值Table3-3Mutualinductancebetweentheaxialcoilswhentheaxialdistancechanges轴向距离MCMDMEMF续表3-310mm1.941816uH411.362949nH1.489465uH707.250106nH20mm1.04980uH254.187570nH771.779768nH276.916284nH30mm619.714252nH150.582942nH420.724199nH125.568667nHMC表示Sender能量与数据线圈的互感MD表示Sender能量线圈与Receiver数据线圈的互感ME表示Receiver能量线圈与Sender数据线圈的互感MF表示Receiver能量与数据线圈的互感1.3耦合线圈金属环境影响1.1.1金属材料影响机理（1）集肤效应由于电磁感应产生感应电流，交变电流的产生会导致透过导体横截面的电流深度减小，这种就称为集肤效应，可由下式表示：δ=2式中，ω为交变电流源的角频率，ω=2πf，f为电流源的振荡频率。μr为铜线的相对磁导率，μ0为真空中的磁导率，（2）临近效应当两个距离很近的导体中通过交频电流时，流过导体的交频电流会在导体周围产生一个电磁场，两个导体间的电磁场会发生排斥或相互吸引，从而导致流过导体的电流密度发生变化，这种现象称为临近效应。（3）涡流效应当谐振耦合线圈的附近空间有金属存在时，在金属内部同样会产生感应电流，并且在金属内部形成闭合曲线，导致系统热能散发不出去，对磁场强度产生影响，这就是涡流效应。涡流效应带来的影响主要体现在两个方面，一方面，金属板表面的涡流效应会消耗磁场能量并生成大量的热，不仅造成无线传输系统功率和效率的降低，还会对系统的热稳定性带来不利影响；另一方面，金属表面的涡流形成了一个交变磁场，该磁场的方向与原磁场相反，抵消并改变了原磁场分布，从而改变了线圈附近的自感ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Bihan</Author><Year>2003</Year><RecNum>748</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[40]</style></DisplayText><record><rec-number>748</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="rx2r52a0xrtesnesarup00x80p952wpvrwf9"timestamp="1617884295">748</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Bihan,Y.L.</author></authors></contributors><titles><title>Studyonthetransformerequivalentcircuitofeddycurrentnondestructiveevaluation</title><secondary-title>Ndt&EInternational</secondary-title></titles><periodical><full-title>Ndt&EInternational</full-title></periodical><pages>297-302</pages><volume>36</volume><number>5</number><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40]。在非接触感应系统的互感理论模型的基础上，添加涡流效应的等效电路，可以得到谐振耦合线圈的附近空间有金属存在时，等效电路模型如图3-9所示。R3为涡流效应的等效电阻，L3为涡流效应的等效电感。M12、M13和M23分别表示三个耦合线圈之间的互感。图3-9考虑涡流效应的等效电路图Fig.3-9Equivalentcircuitdiagramconsideringeddycurrenteffect将涡流电路的阻抗分别反射到初级与次级电路中，对电路结构进行简化。其中，反射到初级回路的阻抗为：Z3反射到次级回路的阻抗为：Z3将涡流电路中的反射电阻与原始的初次级电路进行合并后，得到的等效电路图如图3-10所示：R2'RR图3-10合并涡流等效电路后的系统等效电路图Fig.3-10EquivalentcircuitdiagramofthesystemaftermergingtheeddycurrentequivalentcircuitR1R2L1L2根据式（3-32）和（3-33）可以看到，谐振耦合线圈的附近空间有金属存在时，系统的等效电阻增加，系统的耗损增大，从式（3-34）和（3-35）可以看出，金属的加入使发射接收线圈的自感减小，而补偿电容并没有改变，根据w=11.1.2引信接收器金属环境的影响引信装定器采用非金属外壳，位于弹体内的引信中。（1）引信接收器底部遍布非铁磁性材料铝板。射频装定系统对金属环境十分敏感，任何交变的磁场在线圈附近的金属表面会产生一个电压，该电压在金属表面产生涡流，会屏蔽电磁场，导致无线传输系统不能正常工作；（2）本文采用信息与能量分开传输的方式工作，耦合线圈包括能量传输线圈、数据传输线圈，线圈的水平位置关系为Sender与receiver中的数据线圈同平面，同理，能量线圈也是同平面分布，垂直方向上的位置关系为数据传输线圈在上面，能量传输线圈在下面，所以希望同平面线圈之间的互感值最大，数据、能量的传输效果最好，由于设计的能量传输线圈互感值比较大，会对数据传输线圈产生影响，导致数据传输信号失真，所以位于同一轴线上的线圈之间的互感值越小越好。针对上述问题，本节利用仿真对金属环境下耦合线圈进行分析。系统结构示意图如图3-11所示。图3-11耦合线圈结构示意图Fig.3-11Schematicdiagramofthecouplingcoilstructure、确定耦合线圈匝数首先确定仿真系统中耦合线圈匝数，在Maxwell软件中设置涡流求解类型，建立2D模型，设置Sender中数据线圈线径为0.3mm，能量线圈线径为0.5mm，对数据和能量线圈都加载5A的激励电流，求解参数中添加电感矩阵。在上述前提下，确定合适的线圈匝数，使电感量达到要求。经过多次仿真，得到以下数据。表3-4线圈匝数与电感量的关系Table3-4Therelationshipbetweenthenumberofcoilturnsandtheinductance数据发射线圈数据接收线圈能量发射线圈能量接收线圈线圈匝数451625电感量2.478688uH1.446328uH29.557545uH30.536885uH②、周围金属环境对耦合线圈影响的仿真为了研究金属环境对耦合线圈的影响，仿真在有金属材料的情况下，耦合线圈周围的电磁环境。为此，本文搭建了一套Maxwell仿真系统。具体的步骤为：（1）选择二维轴对称模型，设置求解类型为涡流场，由于线圈为轴对称结构，线圈模型关于Z轴对称，只建立1/4的模型即可进行分析，（2）两个数据传输线圈电气参数完全一致，线径均为0.3mm，Sender中的数据线圈添加5A、频率为11.56MHz的正弦电流，线圈为铜质导线，（3）能量传输线圈线径均为0.5mm，Sender中能量线圈添加5A、频率为60KHz的正弦电流，线圈为铜质导线，（4）选用1.5倍的空气面作为有限域进行仿真，软件自动进行网格划分并进行求解。仿真结果要保证的两个指标：一是Receiver中的数据线圈感应接收到的磁场强度最大，二是Receiver中数据与能量线圈轴向空间内感应接收到的磁场强度较小。自由空间以及金属环境影响下的系统的磁力线分布如图3-13所示，铝的材料参数见表3-5，图3-14所示云图为系统的磁感应强度分布。表3-5材料铝的参数Table3-5Parametersofmaterialaluminum相对磁导率体电导率杨氏模量泊松比1.0000211.8×107siemens/m6.9×1010N/m20.31Receiver中的金属环境主要是指其中的线圈底座为铝板，其内部的能量线圈骨架固定在金属铝制成的底座上，同理，数据线圈骨架也固定在金属铝板上，实现对引信接收器内部线圈的固定。假设采用半径为15mm，厚度为2mm的铝板，Receiver中数据线圈选用18mm的尺寸，能量线圈选用30mm的尺寸，Sender中数据选用直径48mm的线圈，选择能量线圈的直径为56mm。系统在自由空间和在底部放置金属铝板两种情况下的磁力线分布如图3-14所示。(a)自由空间(b)安装铝板(a)Freespace(b)Installaluminumplate图3-13系统在不同情况下的磁力线分布Fig.3-13Thedistributionofmagneticfieldlinesofthesystemunderdifferentconditions磁力线无法穿过铝板，穿过Receiver中能量与数据线圈的磁力线数量均减少，这就使得Sender与Receiver的数据线圈耦合能力得到减弱，同理也会减弱能量传输线圈的耦合能力，影响无线传输性能。从图3-14所示的磁感应强度云图分布可以看出，存在金属铝底板的情况下，Receiver中数据线圈的空间内感应到的磁感应强度为蓝色，假设红色为系统传输效果最好的磁感应强度，那么安装铝板后，系统的传输能力受到影响，说明铝板对电磁场的涡流损耗十分严重，所以下一节讨论金属环境影响的补偿方案。图3-14系统在不同情况下的磁感应强度云图Fig.3-14Themagneticinductionintensityclouddiagramofthesystemunderdifferentconditions1.1.3引信接收器金属环境影响的补偿方案为了使系统获得较好的传输性能，通过在金属底座添加铁氧体隔磁片材料，是一种切实可行的办法。因铁磁性材料的磁导率远大于1，将其放置在线圈周围时，线圈的互感和自感值均会增大。当系统周围存在铁磁性材料时，高频率的交变电流流过线圈时，变化的电流产生的磁场作用于铁磁性材料ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈琛</Author><Year>2016</Year><RecNum>722</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[41]</style></DisplayText><record><rec-number>722</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="rx2r52a0xrtesnesarup00x80p952wpvrwf9"timestamp="1617883597">722</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>陈琛</author></authors><tertiary-authors><author>黄学良,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>谐振式无线电能传输系统的若干电磁问题研究及优化设计</title></titles><keywords><keyword>无线电能传输</keyword><keyword>谐振</keyword><keyword>磁场</keyword><keyword>屏蔽</keyword><keyword>金属环境</keyword><keyword>参数补偿</keyword><keyword>效率还原</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><publisher>东南大学</publisher><work-type>博士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[41]，因为电流产生的磁场方向与铁磁性材料磁畴的磁矩方向，两者一致，从而形成强烈的磁化矢量与其感应磁场铁氧体材料的参数见表3-6。表3-6铁氧体材料的参数Table3-6Parametersofferritematerials相对介电常数相对磁导率体电导率密度1210000.01siemens/m4600kg/m3（1）铁氧体材料对耦合线圈影响仿真仍以上节的模型为基础，将receiver中数据与能量线圈下的金属铝座换为铁氧体材料，铁氧体厚度为2mm，铁氧体半径为15mm，如图3-15所示，铁氧体影响了无线系统产生的磁力线分布，使其发生改变。(a)自由空间(b)加铁氧体材料(a)Freespace(b)Addferritematerial图3-15系统在不同情况下的磁力线分布Fig.3-15Thedistributionofmagneticfieldlinesofthesystemunderdifferentconditions观察图3-15可以看出，由于系统周围有铁氧体材料，磁力线从铁氧体材料中透过，通过receiver中数据与能量线圈的磁力线有了很明显增加，Sender与Receiver中数据线圈的耦合能力也得到了进一步增强，同理，能量传输线圈的耦合能力也得到了增强，系统接收线圈感应到的能量也变得更大。（2）加铁氧体补偿方案仿真将处于自由空间的耦合线圈模型作为基础，在receiver中数据线圈底部的铝板上采用加软铁氧体材料的方法，同理也为能量线圈底部的铝板上采取添加软铁氧体材料的方式，模型如图3-16所示。铁氧体材料尺寸为厚度2mm，半径15mm。铝板的尺寸为厚度2mm，半径15mm。图3-16金属环境补偿方案建模Fig.3-16Modelingofmetalenvironmentalcompensationscheme（a）不加铁氧体材料（b）加铁氧体材料(a)Noferritematerial(b)AddFerritematerial图3-17接收线圈底部磁力线分布Fig.3-17Thedistributionofmagneticfieldlinesatthebottomofthereceivingcoil图3-17所示为无线传输系统耦合线圈底部加铝板与铁氧体时空间的磁力线分布，观察图（a）、（b）可以得到：加铁氧体材料后磁力线分布的范围比较广，（b）中接收线圈通过的磁力线数量大于（a），系统传输能力增强。上述对磁力线分布图的对比属于定性分析，而加铁