球形载流线圈的场分布与自感

1、P22实验名称： 球形载流线圈的场分布与自感 姓名： xxx 学号： 311xxxxxxx 装 订 线专业：电气工程及其自动化姓名： xxx 学号： 311xxxxxxx 日期： 2013年6月15日星期六 地点：紫金港东三406 实验报告课程名称： 工程电磁场与波 指导老师： xxx 成绩： 实验名称： 球形载流线圈的场分布与自感 实验类型： 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得实验一 球形载流线圈的场分布与自感一、实验目的和要求（必填） 1. 研究球形

2、载流线圈（磁通球）的典型磁场分布及其自感参数； 2. 掌握工程上测量磁场的两种基本方法感应电势法和霍耳效应法； 3. 在理论分析与实验研究相结合的基础上，力求深化对磁场边值问题、自感参数和磁场测量方法等知识点的理解，熟悉霍耳效应高斯计的应用。二、实验内容和原理（必填）实验内容1.    测量磁通球轴线上磁感应强度B的分布2.     探测磁通球外部磁场的分布 3.     磁通球自感系数L的实测值 4.   

3、;  观察磁通球的电压、电流间的相位关系 实验原理（1）球形载流线圈（磁通球）的磁场分析如图1-7所示，当在z向具有均匀的匝数密度分布的球形线圈中通以正弦电流i时，可等效看作为流经球表面层的面电流密度K的分布。显然，其等效原则在于载流安匝不变，即如设沿球表面的线匝密度分布为W，则在与元长度对应的球面弧元上，应有因在球面上，所以代入上式，可知对应于球面上线匝密度分布W，应有即沿球表面，该载流线圈的线匝密度分布W正比于，呈正弦分布。因此，本实验模拟的在球表面上等效的面电流密度K的分布为由上式可见，面电流密度K周向分布，且其值正比于。 因为，在由球面上面电流密度K所界定

4、的球内外轴对称场域中，没有自由电流的分布, 所以, 对应于如图1-8所示的计算场域，可采用标量磁位jm为待求场量，列出待求的边值问题如下：上式中泛定方程为拉普拉斯方程，定解条件由球表面处的辅助边界条件、标量磁位的参考点，以及离该磁通球无限远处磁场衰减为零的物理条件所组成。通过求解球坐标系下这一边值问题，可得标量磁位jm1和jm2的解答，然后，最终得磁通球内外磁场强度为基于标量磁位或磁场强度的解答，即可描绘出磁通球内外的磁场线分布，如图1-9所示。由上述理论分析和场图可见，这一典型磁场分布的特点是：）球内H1为均匀场，其取向与磁通球的对称轴（z轴）一致，即   &#

5、160;                           (1-3)）球外H2等同于球心处一个磁偶极子的磁场。（2）球形载流线圈自感系数L的分析计算在已知磁通球的磁场分布的情况下，显然就不难算出其自感系数L。现首先分析如图1-10所示位于球表面周向一匝线圈中所交链的磁通f，即      

6、;  然后，便可分析对应于球表面上由弧元所界定的线匝dW所交链的磁通链                    这样，总磁通链 y 就可由全部线匝覆盖的范围，即由0到 p 的积分求得           最终得该磁通球自感系数L的理论计算值为     

7、                                     (1-4)在本实验研究中，磁通球自感系数L的实测值可通过测量相应的电压、电流来确定。显然，如果外施电源频率足够高，则任何电感线圈电阻在入端阻抗中所起的作用可被忽略。此时，其入端

8、电压和电流之间的相位差约等于90°，即可看成一个纯电感线圈。这样，由实测入端电压峰值与电流峰值之比值，即可获得感抗L的实测值，由此便得L的实测值。（3）感应电势法测磁感应强度   若把一个很小的探测线圈放置在由交变电流激磁的时变磁场中，则根据法拉第电磁感应定律，该探测线圈中的感应电动势                        

9、60;                    (1-5)式中，为与探测线圈交链的磁通链。如果探测线圈的轴线与磁场方向相一致，且磁场由正弦交变电流激励，那末，对应于式(1-5)的有效值关系为           由于探测线圈所占据的空间范围很小，故该线圈内的磁场可近似认为是均匀的，因此有F=BS=m0HS，从而，被测处的

10、磁感应强度式中，N1 为探测线圈的匝数；图1-11 霍耳效应示意图   E 为探测线圈中感应电势的有效值（V）；     B 为被测处磁感应强度的有效值（T）；    f 为正弦交变电流的频率，本实验采用5 kHz的交流；    S 为探测线圈的等效截面积（m2）(关于S的计算方法参阅附录1)。（4）霍耳效应法测磁感应强度 霍耳元件被制备成一块矩形(b×l)半导体薄片，如图1-11所示。当在它的对应侧通以电流I，并置于外磁场B中时，在其另一对应侧上将呈现霍耳电压Vh

11、，这一物理现象称为霍耳效应。霍耳电压为                                                (1-

12、7)    式中，Rh为霍耳常数，取决于半导体材料的特性；       d 是半导体薄片的厚度；        f(l/b)是霍耳元件的形状系数。由式(1-7)可见，在Rh 、d、I、f(l/b)等参数值一定时，Vh µ B (Bn)。根据这一原理制成的霍耳效应高斯计，通过安装在探棒端头上的霍耳片，即可直接测得霍耳片所在位置的磁感应强度的平均值（T或Gs，1T=104 Gs）。本实验采用5070型高斯计，它既可测量时变磁场，也可测量恒定磁场（该高

13、斯计使用方法简介参阅附录2）。应指出，在正弦交流激励的时变磁场中，霍耳效应高斯计的磁感应强度平均值读数与由感应电势法测量并计算得出的磁感应强度的有效值之间的关系为               (1-8)相关知识点l         法拉第电磁感应定律；l         恒定磁场、磁准静态场；l&#

14、160;        标量磁位jm、磁场强度H和磁感应强度B ；l         面电流密度K ；l         边值问题；l         自感系数L ；l         霍耳效应。三、主要仪器设

15、备（必填）1.         球形载流线圈（磁通球）实验装置1  磁通球2  探测线圈棒3  无感电阻4  磁通球激磁电源（附交流毫伏表）5  示波器6  高斯计 图1-1  球形载流线圈（磁通球）实验装置2.         球形载流线圈（磁通球）球 半径 R=5cm线匝数N=131匝材料：环氧树脂（m » m0）结构特征：精心缠绕的线匝模拟了铅垂方向具

16、有均匀线匝密度分布的磁通球的设计要求图1-2  球形载流线圈（磁通球）3. 磁通球激磁电源（附交流毫伏表）输出直流： 0 1.3 A输出交流： 5 kHz，0 1.3 A交流毫伏表：0 50mV图1-3 磁通球激磁电源（附交流毫伏表）4.        探测线圈探测线圈等效截面积的计算探测线圈的轴向剖面图如图1-4(b)所示。由于线圈本身的尺寸很小，故线圈内的磁场分布可近似认为是均匀的。图中半径为r，厚度为dr的薄圆筒状线匝所包围的轴向磁通为      &

17、#160;                 故与该薄筒状线匝所交链的磁通链为                        式中是薄筒状线圈对应的匝数。将上式取积分，就可求出探测线圈的磁通链 

18、0;                          因此，探测线圈的等效截面积为                       

19、  （2）5.         高斯计（5070型）图1-5 (a) 接有横向探棒的5070型高斯计  （）外观图 电缆线 电缆线插头 探棒 0. 9 mm 4. 6 mm B 霍耳片的中心位置，其有效作用区的直径为0.4 mm 霍耳片 （）探棒截面与测试时B场的方位示意图 图1-5 (b) 5070型高斯计的横向探棒5070型高斯计的使用方法（简介）本实验应用的5070型高斯计配有横向探棒，其结构示意图如图1-5(b)所示。使用操作步骤如下：，将横向探棒接入高斯计右侧插孔中；，自测：接通电源（

20、按下POWER键），高斯计即进入自测过程。若有故障，则显示“Err”；，测量模式选择：调节FUNCTION选择器的指示，在MODE位置上配合SELECT键，可显示DC（恒定磁场）或AC（时变磁场）两种测量模式的选择；，测量单位的选择：调节FUNCTION选择器，在UNITS位置上配合SELECT键，可显示G（高斯）、T（特斯拉）或A/m（安/米）三种测量单位的选择（前二者对应于磁感应强度B在CGS制与SI制中的单位（1 T = 104 Gs）；后者则对应于磁场强度H在SI制中的单位）；，测试量程选择：调节FUNCTION选择器，在RANGE位置上配合SELECT键，可显示所期望的测试量程，如G

21、、kG等；，零位调整：高斯计探棒初始读数置零的操作是保证磁感应强度测量精度的前提条件。首先，为屏蔽外磁场对探棒零读数的影响，可将探棒插入“零磁通腔”内；然后，可选择自动调零功能，即将FUNCTION选择器置于ZERO的位置，按下AUTO键，约在5-10秒内该高斯计自动完成探棒初始读数置零操作。    ，测量：将FUNCTION选择器置于MEASURE位置，即可读出被测场点处的磁感应强度值。如果被测磁场范围未知时，应选择高量程测试（测量时，对应于G和T的测量单位的选择，超量程指示为“1999”）。6.     

22、60;   20 MHz模拟示波器图1-6模拟示波器四、操作方法和实验（1）     测量磁通球轴线上磁感应强度B的分布) 沿磁通球轴线方向上下调节磁通球实验装置中的探测线圈，在5 kHz正弦交变电流（I = 1 A）激励情况下，每移动1 cm由毫伏表读出探测线圈中感应电势的有效值E，然后，应用式(1-6)计算磁感应强度B；) 在上述激磁情况下，应用5070型高斯计及其探棒，通过调节探棒端头表面位置，使之有最大霍耳电压的输出（即高斯计相应的读数最大），此时，探针面应与磁场线正交。由此可以由高斯计直接读出磁通球北极（r = 0，z =

23、R）处磁感应强度Bav 。（2）     探测磁通球外部磁场的分布) 在5 kHz正弦交变电流（I = 1 A）激励情况下，继续探测磁通球外部磁场的分布。测试表明，磁场分布如同图1-3所示：磁场正交于北极表面；在赤道（r = R，z = 0）处，磁场呈切向分布；磁通球外B的分布等同于球心处一个磁偶极子的磁场；) 在直流（I = 1 A）激励情况下，应用高斯计重复以上探测磁通球外部磁场分布的实测过程，并定量读出磁通球北极（z = R）处磁感应强度B 。（3）     磁通球自感系数L的实测值本实验在电源激励频率为5

24、kHz的情况下，近似地将磁通球看作为一个纯电感线圈。因此，通过应用示波器读出该磁通球的激磁电压u(t)和电流i(t)的峰值 本实验中，i(t)的波形可由串接在磁通球激磁回路中的0.5 无感电阻上的电压测得，即可算出其电感实测的近似值L。应指出，以上电压峰值读数的基值可由示波器设定，而电流峰值读数的依据既可来自于数字电流表的有效值读数，也可来自于0.5 无感电阻上的电压降。（4）     观察磁通球的电压、电流间的相位关系应用示波器观察磁通球的激磁电压u(t)和电流i(t)间的相位关系；五、实验数据记录和处理1. 球形载流线圈的场分布与自感1) 磁通球轴线

25、上磁感应强度B的分布i. 感应电势法测磁感应强度B正弦激磁电流I=1A，f=5kHz，磁感应强度B=E2fN1S序号坐标r(cm)（=0）感应电势法磁感应强度理论值B=0NI3R (Gs) 相对误差Er测试线圈的感应电势E（mV）磁感应强度B（Gs）1-52710.5206896610.964.01%2-42810.9103448310.960.45%3-327.510.7155172410.962.23%4-22710.5206896610.964.01%5-12710.5206896610.964.01%6027.110.5596551710.963.65%7127.110.5596551

26、710.963.65%822710.5206896610.964.01%9327.310.6375862110.962.94%10427.910.8713793110.960.81%11527.110.5596551710.963.65%平均值27.272710.62710.963.04%由于球形载流线圈内磁场分布均匀，故将所测得的11组数据平均，作为所测得的磁感应强度，即10.627Gs，而磁感应强度的理论值则为10.96Gs，相对误差为3.04%。可见实测值比理论值略微偏小，这是因为激磁电流源并不能稳定输出1A激磁电流，且交流毫伏表在测量时也会引入误差。ii. 霍尔效应法的磁感应强度B计算

27、磁感应强度BBav0.9序号坐标（r, ）(cm,rad霍尔效应法实测值Bav（Gs）计算磁感应强度B（Gs）1“北极”（交流激磁I=1A）9.410.444444442“北极”（直流激磁I=1A）10.311.444444443“赤道”（交流激磁I=1A）4.75.2222222224“赤道 ”（直流激磁I=1A）4.65.111111111 由实验数据可见，在北极处的磁感应强度比理论数据偏小，且交流激磁产生的磁感应强度要小于直流激磁产生的磁感应强度。这是由于在用高斯计测量时，测量的是载流线圈外部的磁感应强度，即使十分靠近北极，所测得的磁感应强度也会比感应电势法测得磁感应强度小。而且高斯计探

28、棒在使用时不能完全保证其垂直于磁场线，这也会带来误差。又由于测量的是载流线圈外部的磁感应强度，其分布不再均匀，故赤道测得的磁感应强度小于北极。2) 磁通球自感系数L的分布Um（V）Im（A）实测值L=ULmILm，（H）理论值L=29N20R，（H）相对误差Er12.50.646.22×10-47.53×10-417.40% 由实验数据可见，实测值与理论值相差较大。自感系数L的测量误差来源主要有方法误差、仪器误差。方法误差在于测量时做了近似，将电源两端电压近似认为是载流线圈两端电压，产生误差。仪器误差主要是选择的示波器，仪器精度不够高，示波器在读数时易产生较大误差，且信号易

29、受干扰。3) 电压、电流间的相位关系如图所示，u(t)为磁通球及无感取样电阻R两端电压，uR(t)为无感取样电阻R两端电压。所以激磁电流it=uR(t)R。由图可读出Um 及Im，也可观察到电压超前电流4.519×36085o。六、实验结果与分析（必填）（1）画出沿磁通球轴线B(z)|r=0的分布曲线，并按式(1-1)或式(1-3)的解析解，分析讨论理论值与实测值之间的对应关系，以及磁通球内磁场分布的特征；将测得的磁感应强度画成图像如下：从所测得数据可以看出，实测值比理论值偏小，这可能是因为电流源发出的信号没有达到我们所需的1A。对于磁通球内磁场分布的特征，我使用仿真来说明：我将以下

30、程序键入ANSYS的命令框：! 球形载流线圈在球表面层面电流密度按正弦分布! 本例中如下处理：! 每匝线圈截面相同，电流密度按线圈相应位置加载，使得球表面层面电流密度按正弦分布! 静态分析finish/clear! 定义参数，单位均采用国际制单位r0=0.5 ! 场域外边界所对应的半径r1=0.05 ! 球形载流线圈内半径r2=0.051 ! 球形载流线圈外半径dcita=1.0 ! 每个小线圈截面所占的角度pi=2*asin(1) ! 3.1415926alpha0=13 ! 两极未绕线圈的cita角度mm=0*do, i, alpha0+1, 180/dcita-alpha0 mm=mm+

31、sin(0.5+i-1)*pi/180)*enddojs0=131*360/(mm*pi*(r2*r2-r1*r1) ! 与电流密度相关的常数 ! 前处理/prep7 ! 前处理et, 1, plane53, , , 1 ! 指定单元类型，轴对称场分析mp, murx, 1, 1 ! 指定1号材料（空气）的相对磁导率mp, murx, 2, 1 ! 指定2号材料（线圈）的相对磁导率! 建立几何模型, 实时显示*do, i, 1, 180/dcita pcirc, r1, r2, -90+(i-1)*dcita, -90+i*dcita*enddopcirc, 0, r0, -90, 90aov

32、lap, all! 对几何模型（即，面）设置属性 ! 选择线圈所对应的面，根据位置来选择csys, 1 ! 选择柱坐标系asel, s, loc, x, r1, r2 !选择面，aplot ! 图形显示面，以查看所选择的面是否正确aatt, 2, , 1, 0, ! 赋予属性! 选择线圈以外的空气区域allsel ! 选择所有的模型asel, u, loc, x, r1, r2 ! 不选择线圈所对应的面aatt, 1, , 1, 0! 剖分，建立网格! 先划分线圈所在区域asel, s, mat, , 2 ! 根据材料号来选择线圈esize, , 1 ! 单元分割数为1，即每个线圈截面就是一个

33、单元 ，单元尺寸，单元份数，amesh, all! 划分线圈外的空气区域lsel, s, loc, x, r0 ! 选择外边界处的圆弧线lesize, all, , , 180 ! 划分数为180lsel, s, loc, x, 0.5*(r1+r0) lesize, all, , , 80, 8 ! 相邻的划分比例之间的比例asel, s, loc, x, r2, r0amesh, all! 划分线圈内的空气区域，均匀变化，不用选得太细smrtsize, 3mshape, 1, 2d ! 三角形单元mshkey, 0 ! 自由剖分asel, s, loc, x, 0, r1amesh, al

34、l! 加载线圈电流密度*do, i, alpha0+1, 180/dcita-alpha0 asel, s, loc, x, r1, r2 asel, r, loc, y, -90+(i-1)*dcita, -90+i*dcita esla bfe, all, js, , , , js0*sin(0.5+i-1)*pi/180)*enddo! 加载外边界磁力线平行边界条件allsellsel, s, ext ! 选择外边界处的线dl, all, , asym ! 磁力线平行allselsavefinish/soluantype, 0solvefinish/post1PLF2D,27,0,10,

35、1回车后得到：查看一条路径上的结果：先定义一条路径：Main Menu > General Postproc > Path Operations >Define Path > By Location，出现窗口：点击OK，出现窗口：如图输入相应数据，点击OK。窗口不变，如下图修改数据：点击OK 后，再点击Cancel。显示路径：Main Menu > General Postproc > Path Operations >Plot Paths，看见如下图形：将结果数据（磁感应强度的y 方向分量）映射到路径上：Main Menu > General

36、Postproc > Path Operations >Map onto Path：图形显示结果：Main Menu > General Postproc > Path Operations >Plot Path Item > On Graph，出现窗口：点击OK。看到如下图形：也可列表显示路径上的结果数据：Main Menu > General Postproc > Path Operations > Plot Path Item > List Path Items，出现窗口：点击OK。出现如下结果： PRINT ALONG PATH DEFINED BY LPATH COMMAND. DSYS= 0 * PATH VARIABLE SUMMARY * S BY 0.0000 0.11129E-02 0.50000E-02 0.11129E-02 0.10000E-01 0.11130E-02 0.15000E-01 0.11132E-02 0.20000E-01 0.11133E-02 0.25000E-01 0.11134E-02 0.30000E-01 0.11136E-02 0.35000E-