旋轉(zhuǎn)永磁式機(jī)械低頻天線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

郝振洋，汪禹萱，周 強(qiáng)，李 雪，張綺瑤，施 偉

(1. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 211106； 2. 國(guó)防科技大學(xué) 第六十三研究所， 江蘇 南京 210007)

超低頻(super low frequency, SLF)和甚低頻(very low frequency, VLF)電磁波具有傳播距離遠(yuǎn)、海水穿透性好和抗電磁脈沖干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn), 因而SLF、VLF等低頻電磁通信在水下通信等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大[1-2]。由于其發(fā)射天線為電小天線(electrically small antenna, ESA)，存在輻射效率低、體積及發(fā)射功率龐大等問(wèn)題[3-4]，限制了低頻電磁通信在相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。小尺寸、低功耗的低頻電磁通信方案成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

機(jī)械天線(mechanical antenna, MA)是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電荷或磁矩直接激勵(lì)電磁波的一種新型低頻電磁發(fā)信技術(shù)。2016年12月，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(defense advanced research projects agency, DARPA)提出了MA的概念和項(xiàng)目指南[5], 并于2017年8月正式啟動(dòng)了AMEBA (a mechanically based antenna)項(xiàng)目。根據(jù)不同的輻射材料和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式，MA可分為振動(dòng)駐極式、振動(dòng)永磁式、旋轉(zhuǎn)駐極式和旋轉(zhuǎn)永磁式等技術(shù)體制[6]。得益于稀土永磁材料和旋轉(zhuǎn)伺服控制技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)永磁式MA(rotating-magnet based MA， RMBMA)已成為國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。如圖1所示，RMBMA主要由控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)磁源構(gòu)成，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制，直接激勵(lì)低頻電磁波信號(hào)并實(shí)現(xiàn)信息加載。

圖1 RMBMA基本原理及實(shí)現(xiàn)形式Fig.1 Basic principle and realization form of RMBMA

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)高校和研究機(jī)構(gòu)分別對(duì)RMBMA的輻射機(jī)理、電磁場(chǎng)傳播特性和實(shí)現(xiàn)方案等進(jìn)行了研究[6-14]。其中，文獻(xiàn)[7-9]研究了RMBMA的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，提出基于永磁體陣列的技術(shù)方案，論證了該系統(tǒng)可突破Chu-Harrington限制。文獻(xiàn)[10]提出了一種在永磁體兩側(cè)各增加1對(duì)十字型導(dǎo)磁塊的倍頻方案，在相同頻率下可降低轉(zhuǎn)速要求，但會(huì)增加永磁體的漏磁，將降低等效磁矩。文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)了RMBMA在均勻有損介質(zhì)中產(chǎn)生時(shí)變電磁場(chǎng)的表達(dá)式，并對(duì)其分布與衰減特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；诎才喹h(huán)路電流理論，文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)永磁體產(chǎn)生電磁場(chǎng)分布的通用解析表達(dá)式，提出了基于旋轉(zhuǎn)永磁體陣列的近場(chǎng)分布特性幅度或相位調(diào)控方法。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于釹鐵硼(NdFeB)永磁體和永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor, PMSM)的RMBMA技術(shù)方案及針對(duì)頻移鍵控(frequency shift keying, FSK)和最小頻移鍵控(minimum frequency shift keying, MSK)的信息加載方法，建立了系統(tǒng)分析模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性。可以看出，當(dāng)前關(guān)于RMBMA的研究主要是針對(duì)輻射機(jī)理、整體技術(shù)方案、信息加載以及原理驗(yàn)證等，但對(duì)RMBMA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究還較少。

本文提出了一種基于多物理耦合仿真的RMBMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能校核方法，設(shè)計(jì)了包含旋轉(zhuǎn)磁源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器在內(nèi)的RMBMA系統(tǒng)方案，研制了RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)其系統(tǒng)性能和近區(qū)磁場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了相關(guān)設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)方案的可行性和有效性。

1 RMBMA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 RMBMA的系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，RMBMA主要由旋轉(zhuǎn)磁源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)等構(gòu)成[13]。其中，旋轉(zhuǎn)磁源由永磁體與非導(dǎo)磁護(hù)套構(gòu)成，永磁體用于產(chǎn)生所需靜態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，非導(dǎo)磁保護(hù)套降低永磁體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生磁源旋轉(zhuǎn)所需的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)輸入給定及磁源(電子轉(zhuǎn)子)的狀態(tài)反饋，結(jié)合一定控制策略，控制器實(shí)時(shí)改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓和電流，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使磁源的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤輸入給定，產(chǎn)生所需發(fā)射的電磁信號(hào)并實(shí)現(xiàn)信息加載。此外，待發(fā)射的碼元數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)換為對(duì)磁源旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的輸入給定。

1.2 基于多物理場(chǎng)耦合仿真的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多物理場(chǎng)耦合仿真的RMBMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法如圖2所示，主要分為兩部分。

圖2 基于多物理場(chǎng)耦合仿真的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.2 System design flow based on multi-physics coupling simulation

1)根據(jù)磁源輻射及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)要求，開(kāi)展永磁材料選型、磁源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能校核。由于MA應(yīng)用背景特殊，需考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及應(yīng)力、應(yīng)用環(huán)境等方面的因素，選擇適合MA應(yīng)用的高性能稀土永磁材料(釹鐵硼、釤鈷等)及其加工制造工藝，對(duì)磁源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其電磁、應(yīng)力、損耗、溫度等多物理場(chǎng)耦合仿真分析，通過(guò)多次優(yōu)化迭代，最終達(dá)到輻射性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等設(shè)計(jì)要求。

2)根據(jù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能校核。為了應(yīng)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)條件下電機(jī)本體在輸出轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)、溫升及應(yīng)力等方面面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)其電磁、應(yīng)力、損耗、溫度等多物理場(chǎng)耦合仿真分析和性能校核，經(jīng)過(guò)多次迭代，最終達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能、應(yīng)力及損耗等設(shè)計(jì)要求。

2 RMBMA的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 RMBMA的設(shè)計(jì)目標(biāo)

參考AMEBA項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)要求，本文RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：頻率范圍為0.1～1 kHz；磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 μT@空氣10 m(等效100 fT@空氣1 km)；調(diào)制速率為10 Hz/s；最大尺寸為60 cm；磁源體積為≤3 000 cm3。

2.2 磁源材料選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RMBMA可等效為一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁偶極子[6]，其近區(qū)磁場(chǎng)分布如式(1)所示，其輸出近區(qū)磁場(chǎng)與磁源的磁矩m0成正比?？紤]旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的功耗及應(yīng)力要求，磁源的設(shè)計(jì)目標(biāo)為在盡量小的體積內(nèi)獲得足夠大的磁矩。

(1)

2.2.1 永磁材料及其制備工藝選取

為用較小磁源體積產(chǎn)生所需強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)永磁材料的剩磁(Br)、矯頑力(Hc)和最大磁能積(BHmax)等指標(biāo)提出了極高要求。稀土永磁體是目前磁性最強(qiáng)的永磁材料之一，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)很高的Br、Hc和BHmax，非常適合RMBMA應(yīng)用，主要有釤鈷(SmCo)和NdFeB兩大類[15]。其中，SmCo的熱穩(wěn)定性好，工作溫度大于250 ℃，最大Br可達(dá)1.1 T，但抗壓性能差(25～35 MPa)，高速下易碎裂；NdFeB的磁性能和力學(xué)性能更優(yōu)，其Br最高可達(dá)1.4 T，抗拉強(qiáng)度可達(dá)70～140 MPa，但熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，工作溫度一般要求低于180 ℃。綜合考慮，NdFeB永磁體更具優(yōu)勢(shì)，本文選取Br為1.15 T、Hc為967 kA/m的N40H NdFeB永磁材料。

按照生產(chǎn)工藝不同，NdFeB永磁體可分為燒結(jié)、黏結(jié)和注塑三類[16]。其中，燒結(jié)NdFeB永磁體經(jīng)過(guò)氣流磨制粉后冶煉而成，擁有極高的磁性能，且機(jī)械性能也相當(dāng)優(yōu)異，便于切割加工，因此選擇燒結(jié)NdFeB工藝。磁源的充磁方式主要有平行磁化和徑向磁化等?；谙嗤牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，平行磁化的充磁方式相對(duì)徑向磁化來(lái)說(shuō)漏磁更小，其等效磁矩更大，磁輻射性能相對(duì)更強(qiáng)，因此選用平行磁化工藝。

2.2.2 磁源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁源旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁波頻率可表示為:

f=pn/60

(2)

其中，n為轉(zhuǎn)速，p為極對(duì)數(shù)。從式(2)可知，f一定時(shí)，提高p可以降低對(duì)n的要求，但會(huì)加速磁場(chǎng)衰減[6]。因此，在本方案設(shè)計(jì)采用單極對(duì)結(jié)構(gòu)，為滿足1 kHz的最高工作頻率，磁源的最高轉(zhuǎn)速確定為60 000 r/min。

為減少高速旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，磁源采用圓柱體結(jié)構(gòu)。由式(1)，磁源的近區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度與m0成正比，而m0可表示為：

m0=VBr/μ0

(3)

其中，V為永磁體體積。因此其近區(qū)磁場(chǎng)僅與永磁體材料的Br和V相關(guān)，與磁源的具體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān)。因此，結(jié)合永磁材料的應(yīng)力和熱穩(wěn)定性要求，磁源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：①由場(chǎng)強(qiáng)要求及式(1)、式(3)確定永磁體體積；②對(duì)永磁體的長(zhǎng)徑比進(jìn)行優(yōu)化，避免過(guò)大的直徑，以限制脆性磁體上的離心力應(yīng)力，同時(shí)控制軸向長(zhǎng)度，以避免彎曲應(yīng)力帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題；③限制風(fēng)阻及介質(zhì)損耗，確保磁源溫度在永磁材料的工作溫度以內(nèi)。磁源圓周表面和端面的風(fēng)摩損耗Pw可表示為[17]：

(4)

其中：k為表面粗糙程度系數(shù)；ρα為空氣密度；r2、r1和l分別為外半徑、內(nèi)半徑和軸向長(zhǎng)度；Cf為摩擦系數(shù)，取決于氣體速度和特性。

通過(guò)如圖2所示系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，最終選取磁源外徑r2=4.1 cm、內(nèi)徑r1=1.8 cm、軸向長(zhǎng)度l=11.8 cm，忽略電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)阻，根據(jù)磁源幾何結(jié)構(gòu)尺寸，60 000 r/min時(shí)Pw約為1 031.6 W。基于Maxwell有限元仿真軟件對(duì)磁源性能進(jìn)行仿真校核，圖3～5分別給出了磁源的靜態(tài)磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真分布，其在10 m處的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)約為0.105 μT，60 000 r/min下磁源的最大切向、徑向應(yīng)力分別約為21.4 MPa、55.5 MPa，最高溫度約為101.88 ℃，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)和NdFeB材料的應(yīng)力和工作溫度要求。

圖3 輻射強(qiáng)度仿真結(jié)果Fig.3 Radiation intensity simulation results

(a) 徑向應(yīng)力(a) Radial stress

(b) 切向應(yīng)力(b) Tangential stress圖4 應(yīng)力場(chǎng)仿真Fig.4 Stress simulation

圖5 溫度場(chǎng)仿真Fig.5 Stress simulation

2.3 高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)及仿真分析

高速領(lǐng)域使用的電機(jī)主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)[18]。其中，永磁電機(jī)因其效率高、功率密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單更適合于RMBMA系統(tǒng)[6]。本文采用PMSM對(duì)磁源進(jìn)行高效旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與狀態(tài)控制[13]。

2.3.1 PMSM的額定功率計(jì)算

PMSM的負(fù)載主要是磁源和轉(zhuǎn)子與空氣摩擦產(chǎn)生的風(fēng)阻損失和轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生的慣性損失?？傠姽β实慕馕鲇?jì)算為：

P=Pw+Jω(dω/dt)

(5)

其中，J為磁源及電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可由下式計(jì)算得出：

(6)

其中，m為磁源質(zhì)量。燒結(jié)NdFeB永磁體密度為7 300 kg/m3，根據(jù)磁源的體積和內(nèi)外徑參數(shù)，可得J=3.68×10-3kg·m2。又由于設(shè)計(jì)目標(biāo)中的調(diào)制速率為10 Hz/s，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化率為600 (r·min-1)/s，可得轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化所需最大功率為1 451.2 W。綜合考慮上述功率需求、電機(jī)本體及控制器的損耗(銅耗、鐵耗等)并保留一定功率余量，從而確定電機(jī)在60 000 r/min時(shí)的額定功率為5 kW。

2.3.2 PMSM本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于磁、應(yīng)力、損耗、溫度等多物理場(chǎng)耦合仿真，對(duì)PMSM本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[19]。圖6～9分別給出了額定工況下電機(jī)磁場(chǎng)分布、鐵耗變化曲線、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布和電磁轉(zhuǎn)矩曲線的仿真圖。經(jīng)仿真校核，額定工況下，該電機(jī)總損耗約121.1 W(鐵耗66.2 W、繞組銅耗12.9 W、轉(zhuǎn)子風(fēng)摩損耗42.0 W)，最高溫升約80 ℃且在定子繞組處，平均輸出轉(zhuǎn)矩T約0.796 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約0.006 N·m，最后由P=ωT可得，額定輸出功率約5 001.42 W，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 PMSM的2D電磁場(chǎng)仿真Fig.6 2D electromagnetic field simulation of PMSM

圖7 PMSM鐵耗仿真Fig.7 PMSM iron loss simulation

圖8 PMSM的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真Fig.8 Simulation of temperature field of PMSM

圖9 電磁轉(zhuǎn)矩性能Fig.9 Electromagnetic torque performance

2.4 控制策略選取

對(duì)于FSK、MSK等恒包絡(luò)波形，需對(duì)磁源進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)速伺服控制，主要有直接轉(zhuǎn)矩控制[20]和矢量控制[21]兩類控制策略。直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)性能好，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，將影響穩(wěn)速精度和調(diào)速范圍。矢量控制的控制精度高，調(diào)速范圍大，抗負(fù)載擾動(dòng)性能較好，更適用于RMBMA。

PMSM的矢量控制框圖如圖10所示，信息加載模塊產(chǎn)生相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令，基于矢量控制策略，通過(guò)對(duì)PMSM實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制來(lái)調(diào)節(jié)磁源旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，以此來(lái)產(chǎn)生所需調(diào)制信號(hào)。其中，n*為轉(zhuǎn)速控制指令，采用基于轉(zhuǎn)速閉環(huán)的PI控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)給定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的快速跟蹤，并具有較好的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。

圖10 用于PMSM的矢量控制框圖Fig.10 Vector control of PMSM

3 RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境

基于上述方案設(shè)計(jì)，研制的RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與測(cè)試環(huán)境如圖11和圖12所示。輻射單元(含PMSM)最大尺寸約0.4 m。測(cè)試設(shè)備主要包括低頻磁性天線(工作頻段：1 Hz～3 kHz，靈敏度：3 fT/√Hz@100 Hz)、低噪聲信號(hào)采集模塊(工作頻段：0.1 Hz～10 kHz，靈敏度：100 nV/√Hz)和進(jìn)行頻譜分析的上位機(jī)。

圖11 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及測(cè)試環(huán)境Fig.11 Experimental prototype and test environment

圖12 RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及測(cè)量天線布局示意圖Fig.12 Layout of RMBMA principle prototype and measuring antenna

由于RMBMA的近區(qū)磁場(chǎng)在磁源旋轉(zhuǎn)平面的徑向方向上最強(qiáng)[13]，為測(cè)試實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的最大輻射能力，如圖13所示，將低頻磁性天線放置于磁源的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，且與其旋轉(zhuǎn)軸垂直的水平面上。移動(dòng)低頻磁性天線，使其逐漸遠(yuǎn)離磁源，測(cè)試不同距離r處的近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于采用的低頻磁性天線，所測(cè)場(chǎng)強(qiáng)B(單位：nT)與其輸出電壓幅度U(單位：dBV)滿足B=101+U/20。為減少電磁干擾，實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地在室外相對(duì)開(kāi)闊地帶，且環(huán)境噪聲(磁源及PMSM不旋轉(zhuǎn)時(shí))的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)小于1 pT。

圖13 100 m處實(shí)測(cè)信號(hào)頻譜Fig.13 Signal spectrum measured at 100 m

3.2 近區(qū)磁場(chǎng)測(cè)試

設(shè)定PMSM轉(zhuǎn)速為7 200 r/min，對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)頻率為120 Hz，距磁源100 m處的實(shí)測(cè)低頻天線接收信號(hào)頻譜如圖13所示，其頻譜除發(fā)射信號(hào)頻率外，主要為50 Hz工頻及其高次諧波。圖14給出了接收天線距離磁源從10 m至100 m變化時(shí)的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)。在10 m附近，由于低頻磁天線輸出信號(hào)飽和，實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)偏小，從20 m以后，其強(qiáng)度隨距離的三次方衰減，最終在100 m處測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度約為128 pT，由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，雖然沒(méi)有進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的測(cè)試，但根據(jù)其衰減特性，等效得到1 000 m處的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)約為128 fT，可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖14 磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試Fig.14 Magnetic field strength test

3.3 等效輻射能力對(duì)比

RMBMA可等效為環(huán)天線，其靜態(tài)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為[12]：

B=μ0IS/[2π(x2+R2)3/2]

(7)

其中，I為等效電流，S為電流環(huán)面積。在無(wú)損介質(zhì)中，可通過(guò)磁矩IS來(lái)評(píng)估RMBMA的輻射能力。表1給出了美國(guó)AMEBA項(xiàng)目和部分文獻(xiàn)中RMBMA樣機(jī)的輻射能力對(duì)比。通過(guò)對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可達(dá)到美國(guó)AMEBA項(xiàng)目射頻穿透技術(shù)領(lǐng)域(TA1)的場(chǎng)強(qiáng)指標(biāo)要求，相較于已有文獻(xiàn)成果，通過(guò)優(yōu)化磁源結(jié)構(gòu)，增大永磁體體積，本方案獲得了較高等效磁矩，為RMBMA方案研究和樣機(jī)設(shè)計(jì)提供了一種可行思路。

表1 輻射能力對(duì)比Tab.1 Comparison of radiation capabilities

4 結(jié)論

本文對(duì)RMBMA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究，具體總結(jié)如下：

1)提出了基于磁、損耗、熱、應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合仿真的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能校驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了包含旋轉(zhuǎn)磁源、高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器在內(nèi)的RMBMA系統(tǒng)方案。

2)研制了RMBMA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，在距磁源10～100 m(空氣)處對(duì)其磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其實(shí)測(cè)近區(qū)磁場(chǎng)按距離的三次方衰減(略大于理論值)，驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)方案的可行性和有效性，可為后續(xù)研究和技術(shù)實(shí)踐提供設(shè)計(jì)方法與技術(shù)方案支撐。磁源及PMSM的最大尺寸為0.4 m，100 m處實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)為128 pT，可推算1 000 m處場(chǎng)強(qiáng)為128 fT，滿足美國(guó)AMEBA項(xiàng)目的尺寸和場(chǎng)強(qiáng)要求。

3)為了進(jìn)一步提升RMBMA的輻射能力，并實(shí)現(xiàn)高效信息加載，仍需進(jìn)一步在高性能永磁材料、高效旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、高瞬態(tài)響應(yīng)伺服控制以及磁場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)等多個(gè)方面開(kāi)展研究。