電磁傳感器磁流場(chǎng)仿真研究*

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所九江分部 九江 332007）

1 引言

電磁計(jì)程儀是一種依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的對(duì)水測(cè)速設(shè)備[1]，是船舶主要導(dǎo)航儀器之一。與其他測(cè)速儀表相比較，電磁計(jì)程儀不受被測(cè)流體密度、粘度等參數(shù)的影響[2～4]，可測(cè)二維速度；具有測(cè)量過(guò)程流體無(wú)壓力損失，響應(yīng)速度快，精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型艦船及潛艇[5～7]。電磁傳感器作為電磁計(jì)程儀的核心組成部分，其周?chē)拇帕鲌?chǎng)分布對(duì)其測(cè)速精度、靈敏度等性能指標(biāo)具有重要影響[8]，本文探索了一種基于Maxwell及Fluent軟件的磁流場(chǎng)耦合仿真計(jì)算方法，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、故障分析等具有重要指導(dǎo)意義。

2 磁場(chǎng)計(jì)算

采用Maxwell軟件對(duì)傳感器磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，求出其磁場(chǎng)分布情況。磁場(chǎng)分析模塊為T(mén)ransien（瞬態(tài)磁場(chǎng)）模塊，傳感器內(nèi)線(xiàn)圈匝數(shù)為825匝，電阻7.5Ω；外線(xiàn)圈為110匝，電阻2.5Ω；通電電流均為0.75A、32Hz的交流電流。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，鐵芯所選材料的磁化角度選為0°，這樣激勵(lì)電流與交變磁場(chǎng)同相位；另外，產(chǎn)生的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)與海水切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生的電場(chǎng)正交，通常情況下需減小甚至消除該正交電場(chǎng)，在利用Maxwell仿真時(shí)導(dǎo)出1/4周期時(shí)間處的磁場(chǎng)，此時(shí)的正交電場(chǎng)值最小，可忽略不計(jì)。

由仿真結(jié)果圖1、圖2可知，磁場(chǎng)主要集中在鐵芯周?chē)?，磁感?yīng)強(qiáng)度在鐵芯內(nèi)部有最大值，沿徑向向外磁場(chǎng)逐漸減小。傳感器周?chē)艌?chǎng)由于鐵芯的導(dǎo)向及屏蔽作用，使得其磁場(chǎng)僅在下半部分有較強(qiáng)分布，且分布均衡對(duì)稱(chēng)。電極所在位置的磁場(chǎng)Z向分量，仿真結(jié)果為9.5mT，與實(shí)際測(cè)量值10mT比較接近。

圖1 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

3 磁流場(chǎng)耦合計(jì)算

在進(jìn)行流體仿真計(jì)算時(shí)，選擇合適的流域能夠有效的減小網(wǎng)格數(shù)量、縮短計(jì)算時(shí)間[9]，這里選擇流域?yàn)?000mm×2000mm×3000mm長(zhǎng)方體，其中傳感器距離入口處400mm處。繪制網(wǎng)格時(shí)，傳感器周?chē)鲃?dòng)較為復(fù)雜，需進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，其他地方網(wǎng)格可以相對(duì)稀疏，網(wǎng)格總數(shù)約20W，均為標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格，該類(lèi)型網(wǎng)格計(jì)算速度快，需要內(nèi)存少[10～12]，網(wǎng)格圖如 3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

入口設(shè)置為壓力入口，壓力為101325Pa，即計(jì)程儀距離海平面1m深壓力，入口速度為8m/s；出口為壓力出口，計(jì)程儀連接面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)靜壁面，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

在流場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)定后，將Maxwell軟件計(jì)算好的磁場(chǎng)導(dǎo)入Fluent中，利用Fluent自帶的MHD模塊進(jìn)行磁流場(chǎng)耦合分析，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。從壓力云圖中可知，傳感器迎水面壓力最高，背水面及底部壓力較低，符合流體動(dòng)力壓力分布。從速度云圖可知，傳感器前端面存在速度駐點(diǎn)，后方由于擾流現(xiàn)象導(dǎo)致速度較低，底部由于導(dǎo)流罩的導(dǎo)流作用，該處速度較高。速度云圖與壓力云圖結(jié)果相符。

圖4 壓力云圖

圖5 速度云圖

傳感器電極位于傳感器底部，水流流動(dòng)時(shí)切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生電場(chǎng)，從電場(chǎng)分布圖6中可以看出，電動(dòng)勢(shì)分布沿中軸面呈對(duì)稱(chēng)分布，并在電極電附近分別達(dá)到最大值及最小值。航速8m/s情況下，傳感器電極電動(dòng)勢(shì)差為2.069mV，與實(shí)際所測(cè)1.9mV較為接近。

圖6 傳感器表面電動(dòng)勢(shì)分布

圖7中正負(fù)電極點(diǎn)連線(xiàn)中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，電動(dòng)勢(shì)分別在坐標(biāo)為11.68mm及-11.68mm處達(dá)到最大值，實(shí)際電極點(diǎn)安裝位置距離原點(diǎn)為12mm，處于最大電動(dòng)勢(shì)位置。針對(duì)實(shí)物的仿真結(jié)果中電極電動(dòng)勢(shì)值、電極點(diǎn)安裝位置均與實(shí)物較為接近，證明該方法基本可行，可指導(dǎo)傳感器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

圖7 電動(dòng)勢(shì)隨電極點(diǎn)徑向位置變化圖

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用上述方法對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保持傳感器其他參數(shù)不變，僅改變其相對(duì)磁導(dǎo)率，分析不同材料對(duì)其的影響。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與鐵心磁導(dǎo)率關(guān)系圖如圖8所示。

圖8 電動(dòng)勢(shì)隨相對(duì)磁導(dǎo)率變化圖

當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率從50增加到1000過(guò)程中，電動(dòng)勢(shì)增加了1.008mV，在相對(duì)磁導(dǎo)率從1000增加到4000過(guò)程中，電動(dòng)勢(shì)僅僅增加了0.077mV，電動(dòng)勢(shì)增幅隨著磁導(dǎo)率的增加而降低。

另外在相對(duì)磁導(dǎo)率為50時(shí)，當(dāng)電流從0.75A增加到1A過(guò)程中，電動(dòng)勢(shì)從2.069mV增加到2.761mV，即電流增加了33.33%，電動(dòng)勢(shì)增加了33.44%，由此可以看出，電動(dòng)勢(shì)與電流成線(xiàn)性相關(guān)，在磁飽和前，增加通電電流能夠明顯提升傳感器靈敏度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電磁傳感器進(jìn)行了磁流場(chǎng)分析，通過(guò)得出其周?chē)黧w速度、壓力分布等云圖，并通過(guò)磁流場(chǎng)耦合計(jì)算，得出電極附近電場(chǎng)分布，仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試結(jié)果較為接近，證明了該仿真方法可行。通過(guò)該方法分析了不同材料相對(duì)磁導(dǎo)率以及電流對(duì)傳感器性能的影響，結(jié)果表明在磁飽和前，電動(dòng)勢(shì)與電流、相對(duì)磁導(dǎo)率均成線(xiàn)性相關(guān)，磁飽和后，繼續(xù)提電流、相對(duì)磁導(dǎo)率值對(duì)電動(dòng)勢(shì)靈敏度提升無(wú)明顯效果。