趙金龍+熊恒昌+高梓瑞+李志偉

摘 要：射頻電磁弛豫特性傳感器主要用于復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果的可靠性直接影響著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，為提高復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本文從靜態(tài)磁體結(jié)構(gòu)、射頻線圈、調(diào)諧電路三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)射頻電磁弛豫特性傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：射頻電磁；弛豫特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0154-01

1 靜態(tài)磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化電磁仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)生垂直方向磁場(chǎng)的磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

產(chǎn)生垂直方向磁場(chǎng)的最簡(jiǎn)單的磁體結(jié)構(gòu)就是軸向充磁的圓柱形磁體，在圓柱磁體的圓面上方可以產(chǎn)生一個(gè)垂直于圓面分布的磁場(chǎng)，但是僅僅只用一個(gè)圓柱形磁體，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)往往不夠均勻，磁場(chǎng)分散性大，而且磁場(chǎng)分布狀態(tài)與永磁體的半徑和高度有關(guān)。因此本文對(duì)單圓柱形磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)圓柱磁體的半徑和高度以及增加相應(yīng)的勻場(chǎng)措施來(lái)獲得最佳磁場(chǎng)分布的磁體結(jié)構(gòu)。 如圖1（a）（b）所示為圓柱形單邊磁體結(jié)構(gòu)的模型，中間是圓柱形釹鐵硼（NdFeB35）的永磁體材料，磁體外圍的物體是用來(lái)改善磁場(chǎng)分布的鐵磁材料，位于磁體上方2mm處的紅色區(qū)域是目標(biāo)區(qū)域，其尺寸為5mm×5mm×2mm，中間的黃色線圈是射頻線圈模型。

采用Ansoft Maxwell電磁產(chǎn)仿真軟件，通過改變磁體的高度、磁體的半徑以及鐵磁材料（Steel_1008）的高度和邊長(zhǎng)，對(duì)不同尺寸結(jié)構(gòu)的磁體進(jìn)行掃描仿真，通過大量的仿真搜索，我們得到了均勻度最佳的磁體結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)單起見，這里只給出其中五個(gè)不同結(jié)構(gòu)的磁體在目標(biāo)區(qū)域中心線上的磁場(chǎng)均勻度的仿真結(jié)果。

1.2 產(chǎn)生水平方向磁場(chǎng)的磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于圖1（b）中的單邊磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，可以考慮將這種磁體結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行縮小，由于絕緣子傘裙尺寸的限制以及傳感器小型輕量化的要求，因此本文采用三個(gè)尺寸為10mm×10mm×30mm的長(zhǎng)方體形永磁體磁棒組合成三磁棒磁體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程可詳細(xì)描述為：與產(chǎn)生垂直方向磁場(chǎng)的磁體結(jié)構(gòu)章節(jié)類似，以磁體結(jié)構(gòu)上表面2mm處尺寸為5mm×5mm×2mm的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)均勻度為優(yōu)化目標(biāo)，可控制的變量為三個(gè)磁棒之間的相對(duì)位置以及左右兩側(cè)的磁體在YOZ平面上的旋轉(zhuǎn)角度。

通過仿真我們得知，當(dāng)三個(gè)磁棒中心的點(diǎn)坐標(biāo)分別為：中間磁棒坐標(biāo)（0mm，0mm，-1.2mm），左右兩側(cè)磁棒坐標(biāo)（0mm，13.1mm，0mm），（0mm，-13.1mm，0mm），且右邊磁棒在YOZ平面上以平行于x方向的中心軸為旋轉(zhuǎn)軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)41°，左邊磁棒在YOZ平面上以平行于x方向的中心軸為旋轉(zhuǎn)軸，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)41°時(shí)得到的磁場(chǎng)均勻度最好。

2 射頻線圈阻抗匹配設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真結(jié)果得到的繞線結(jié)構(gòu)是數(shù)值形式的，而且由于其結(jié)構(gòu)的特異性，使得很難直接在PCB中直接繪制線圈的結(jié)構(gòu)，因此本文借助于不同軟件之間的模型轉(zhuǎn)換，最終得到線圈的PCB模型。

3 調(diào)諧電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的平面射頻線圈，利用阻抗分析儀可以測(cè)得該線圈在頻率為16.075MHz的交流激勵(lì)下呈感性，線圈的電阻為1.10868Ω，電感為326.585nH，因此該射頻線圈電路可以等效為感性阻抗負(fù)載。圖2為調(diào)諧電路實(shí)體圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過利用Ansoft Maxwell電磁產(chǎn)仿真軟件等技術(shù)手段，通過對(duì)靜態(tài)磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及電磁仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)、射頻線圈以及調(diào)諧電路的設(shè)計(jì)，不僅原有的體積問題得到了改善，并且質(zhì)量以及攜帶方面也做到了優(yōu)化，最終得到了更加適用于復(fù)合絕緣子檢測(cè)的傳感器。

參考文獻(xiàn)

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[2]徐征，程江艷，吳嘉敏，何為.用于復(fù)合絕緣子傘裙老化無(wú)損檢測(cè)的單邊核磁共振方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，（36）：6545-6553.