航空电磁发射线圈装置设计及应用研究

作     者：刘卫杰 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张一鸣

授予年度：2022年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：航空瞬变电磁系统 发射线圈 趋肤效应 开关电源变压器 电磁仿真 

摘      要：近年来,我国对矿产资源的需求越来越强烈。目前,在我国中西部地区蕴藏丰富的矿产资源且开采程度低,但是由于这些地区地形条件复杂,传统的勘探设备无法顺利工作,因此,研制航空电磁探测设备具有重要的战略意义。直升机瞬变电磁(Helicopter-borne Transient Electromagnetic,HTEM)系统以直升机为运载工具,具有易于改装、地形适应能力强等优点,应用前景非常广阔。本课题立足于北京市科技计划——地球深部探测技术攻关项目:大深度航空电磁探测系统研制(Z181100005718001),展开了以下工作:(1)基于趋肤效应和邻近效应的发射线圈优化设计。在发射电流频率、飞机载重要求以及工程施工等的初始条件下,分析交流电引起的趋肤效应、邻近效应,对发射线圈建模仿真,得出线圈的交流电阻在不同结构模型下的变化情况,在满足结构稳定的前提下确定多匝线圈的最优排布方式。从发射线圈的内部结构出发,对线圈连接面的电流过渡状态进行分析,在连接稳固的前提下确定铜棒的结构、长度、焊接材料和加工工艺,最大程度地降低线圈损耗。(2)基于面积乘积法(AP法)的开关电源高频变压器的设计。针对航空电磁发射系统采用AP法设计出10k Hz、2.8k W的开关电源高频变压器。在ANSYS Maxwell涡流场中对绕组布局进行仿真,确定交叉布局的模型;在计算变压器漏感、损耗、电感参数时,在瞬态场中导入外电路进行联合仿真,得到较为准确的仿真计算方法,通过搭建实验样机进行测试,仿真和实验结果表明了所设计的变压器输出稳定、漏感小、效率高,提升了发射机的性能。(3)HTEM系统的原理分析、发射线圈周围空间的磁感应强度计算以及补偿线圈的结构设计。通过对麦克斯韦方程组化简得到电磁波以扩散方程的形式在地下传播,根据毕奥-萨伐尔定律分析计算发射线圈所在平面内的磁场以及所在平面下方的纵向磁场,结合补偿线圈的抵消效果和对发射磁矩的影响,选出最优的同心补偿线圈结构。(4)电路与线圈的联合实验。将发射线圈和全桥电路拓扑简化为RLC串联谐振电路,通过建模仿真验证电路与线圈的可靠性之后,在试验基地将所设计的线圈进行吊装试验,发射半正弦电流波形峰值达到800A,发射磁矩也符合项目要求,对以后发射装备的研究设计奠定了良好的基础。