柔性悬臂电磁驱动光开关的仿真与制作

设计并制作了一种用于波长信道选择系统的新型柔性悬臂梁电磁驱动光开关,该光开关采用微光机电系统技术制作,由带有平面螺旋形线圈的聚酰亚胺悬臂梁、圆柱形永磁体、基座以及双面反射棱镜组成.通过改变线圈中激励电流的方向来控制开关动作.运用有限元的方法,模拟分析了线圈与永磁体之间电磁力的分布以及悬臂梁回复力、电磁力与挠度的关系.对该光开关的驱动性能进行了测试,实验结果表明：加载较小的工作电流（0.15A）,悬臂梁便可以产生较大的挠度（0.925mm）,满足波长信道选择系统光路偏转的要求. 关键词： 微光机电系统 光开关 柔性悬臂梁 电磁驱动     

柔性悬臂电磁驱动光开关的仿真与制作

设计并制作了一种用于波长信道选择系统的新型柔性悬臂梁电磁驱动光开关,该光开关采用微光机电系统技术制作,由带有平面螺旋形线圈的聚酰亚胺悬臂梁、圆柱形永磁体、基座以及双面反射棱镜组成.通过改变线圈中激励电流的方向来控制开关动作.运用有限元的方法,模拟分析了线圈与永磁体之间电磁力的分布以及悬臂梁回复力、电磁力与挠度的关系.对该光开关的驱动性能进行了测试,实验结果表明：加载较小的工作电流（0.15A）,悬臂梁便可以产生较大的挠度（0.925mm）,满足波长信道选择系统光路偏转的要求.     

一种微型光开关的设计与仿真分析

介绍了一种新型的聚酰亚胺(PI)悬臂梁式电磁驱动微机电系统(MEMS)光开关,并对其总体结构进行了设计与仿真分析.运用有限元分析的方法,设计了永磁体的最佳尺寸并优化了悬臂梁的结构;分析了聚酰亚胺悬臂梁的扭转力、电磁力与挠度的关系.当输入电流为75 mA时,聚酰亚胺悬臂梁达到平衡时的挠度约为1.02 mm,能够满足器件转换光路的要求.     

微电磁继电器磁场和力学性质模拟研究

运用有限元分析ANSYS和Mathematica软件对平面线圈的电磁场分布、悬臂梁与固定电极之间的电磁力、悬臂梁应力分布和受力形变等进行了理论分析和仿真模拟,为线圈结构、悬臂梁位置、悬臂梁与线圈距离的设计提供理论依据.     

强磁场下ITER垂直稳定性线圈的电磁性能研究

垂直稳定性线圈是ITER托卡马克装置中用以维持等离子体垂直稳定性的核心部件,然而该线圈处于强磁环境下,一旦线圈励磁运行以后,线圈电流与外部背景场交互作用激发的电磁载荷将会对线圈产生强烈的电磁冲击.为了分析稳态和瞬态电磁载荷对线圈结构的影响,首先采用电流丝等效模型并基于椭圆积分计算了背景场线圈和等离子体电流的磁场,以及极端运行状态下背景场所诱发的电磁力.在电磁计算的基础上,创建循环对称磁-结构耦合分析模型并采用间接耦合法,将电磁力密度以载荷边界条件插值到结构分析模型,计算评估线圈在稳态电磁载荷下的力学性能.此外,针对脉冲电流引起的电磁疲劳,采用ASME主应力方向恒定的疲劳设计规范,结合Goodman修正法并以无限次循环条件下材料应力强度为评定标准,对线圈各组件的应力进行了评定,结果表明线圈各组件均有足够的安全裕度.该分析方法可为托卡马克其它磁体线圈的电磁性能评估提供参考.     

含磁芯线圈动态电感计算

在脉冲功率领域，许多器件都需要使用磁芯，如脉冲变压器、磁开关、脉冲叠加器、感应加速腔等，磁芯的主要作用之一是增加回路的电感量，因此含磁芯回路电感量的计算是判断该磁芯是否适用于该环境的决定性依据，也是对线路进行准确模拟的前提。磁性材料在不同波形的励磁场下对应着不同的磁导率变化，而线圈的电感量与线圈中磁芯的磁导率成正比，因此，含磁芯线圈的电感在实际使用中必然是一个与励磁过程相关的动态值。     

三相行波磁场中涂层超导线圈的电-磁-力特性研究

随着超导线圈在电力领域中的应用越来越广泛,该文利用有限元仿真软件对处于交变磁场中载流高温超导带材的电-磁-力特性进行了研究,通过超导体的非线性E-J本构关系和基于棱边元法的磁场强度法来求解超导线圈内的电流分布、线圈周围的磁场分布及其受到的电磁力大小等电磁特性,重点研究了在以涂层超导磁体为励磁线圈的直线牵引系统中超导线圈和三相绕组之间的电磁力大小.基于仿真结果,分析了超导线圈内电流分布随气隙的变化关系;线圈周围的磁场分布情况及其对超导线圈临界电流的影响;线圈受到的电磁力随时间和气隙的变化关系等,所得结果为高温超导直线电机的设计和应用提供参考依据.     

基于有限元模拟与数值计算的微电磁继电器结构设计与性质研究

运用ANSYS有限元模拟、Mathematica数值计算与OriginPro8.6图像处理等软件对多重弯曲的平面磁芯线圈电磁场分布以及活动电极在电磁场中所受电磁力情况进行仿真分析,从而合理设计励磁电流、活动电极材料、结构尺度、活动电极与固定电极的位置间距等.     

CFETR CSMC装配误差下的电磁状态研究

中心螺旋管模型线圈是为了积累中心螺线管线圈设计和制造经验而预研的一套混合超导磁体线圈,该线圈由五大模块组成,高场区采用Nb_3Sn线圈,低场区采用NbTi线圈,可以满足紧凑型聚变装置对低纵横比的要求.然而模型线圈各模块结构复杂、尺寸庞大在装配过程中不可避免的存在装配误差,线圈励磁以后产生的非对称磁场和电磁力将分别影响等离子体的旋转和线圈整体的稳定性.为了详细分析装配误差对线圈磁场和电磁力的影响,选取模型线圈在装配过程中可能出现的典型的装配误差,基于电流丝等效模型计算了NbTi线圈偏置以后Nb_3Sn内外线圈上的磁场和电磁力.计算结果表明,由于装配误差,线圈磁场沿环向呈不均匀分布,轴向电磁力合力不为零;轴向和径向装配误差对线圈磁场和电磁力的影响存在明显的差异;电磁力随着装配误差呈线性增长,当线圈装配误差较大时将引发数倍于线圈自重的电磁力;该研究结果可为偏置状态下模型线圈的耦合场分析和线圈模块的装配方案设计优化提供参考.     

一种超小型1×2微机械光开关

设计制作了一种非硅基底的1×2微机械光开关,利用电磁驱动微反射镜运动实现输出端口切换,开关时间＜3 ms,封装尺寸缩小至21 mm×16 mm×12.6 mm,驱动电压5 VDC,经5×106次开关重复性测试,性能稳定.     

采用CCD技术的微型光机电系统光开关测试方法

在研制基于微型光机电系统技术的光电器件过程中,需要精确测定器件在给定驱动条件下的运动情况。在对制作完成的光开关进行性能测试时,由于微型光机电系统光开关的几何尺寸的限制,如果要准确测定光开关微反射镜的运动位移。将会有一定的困难。提出了一种采用线阵CCD技术的光学测量方法,实现了对光开关悬臂梁在驱动电压作用下的旋转角度的精确测量。通过理论推导得到了悬臂梁扭转角度与可测量物理量的关系．通过求解方程得到了各个物理量的数值选择对于测量结果的影响,并且给定了测量时各个物理量的参考值。通过实验测量,误差小于10％,表明这是一种具有实际意义的测量方案。     

HL-2M极向场线圈电磁力的计算分析

在建的HL-2M装置的PF线圈采用了混合式结构。在放电过程中,线圈之间有很强的电磁耦合,每一个线圈都会受到很大电磁力的作用。采用解析法,在最大I_p=3MA等离子体电流和各种位形的放电条件下,计算分析了PF线圈受到的电磁力。这些计算结果对PF线圈及其支撑结构的设计都是具有参考价值的。     

HL-2M 极向场线圈支撑结构分析评估

基于二维轴对称模型分析了极向场(TF)线圈在单零(SN)、双零(DN)、雪花(SF)和鼎位形下的电磁响 应,并评估了 4 种位形极限工况下支撑的力学性能。分析表明,PF6 线圈在放电初始时刻所受垂直电磁力最大, 可达到 1.9MN。在放电平顶结束时 PF5 线圈所受电磁力最大。在鼎位形下,PF5L 电磁力可达 2.6MN;雪花和双 零位形下,可达到 2.06MN。在这样极端的运行工况下,结构力学计算结果表明 PF 线圈支撑结构出现了局部塑性 变形。采用 ASMEVIII.2 作为评判准则,对局部高应力区进行评估,评估表明结构不存在塑性塌陷和局部失效。 而在上端主辐梁内侧支撑墩位置,螺栓所受轴力最大,需施加大于 50kN 的预紧力。     

非硅基底1×4微机电系统光开关

设计研制了一种小体积、低成本、可扩展的低电压非硅基底 1× 4微机电系统光开关。开关单元由电磁驱动 ,微反射镜绕直径 10 0 μm转轴转动 ,驱动电压为 5V ,开关时间小于 2ms,插入损耗小于 0 .84dB ,具有断电自锁功能。器件构造工艺采用微细电火花加工技术。用有限元法分析受力和磁场 ,进行结构优化设计 ,并着重介绍开关的实现及性能     

电磁搅拌中旋转磁场及洛伦兹力的数值模拟

由于工程中应用广泛的电磁搅拌问题很难得到解析解,通过有限元软件ANSYS对其进行了数值求解。结果表明：旋转磁场在结晶器搅拌区域内产生电磁力,使钢液在水平方向形成旋转流动。随着频率的增加,磁感应强度逐渐减小、电磁力密度则先增加后减小。在频率一定的情况下,通电线圈电压的增加可导致电磁力密度的增大,通过相关物理理论可对其进行合理解释。     

带集磁器的吸引式电磁力小管件翻边方法

针对微小铝合金管件电磁翻边工艺,现有方法将驱动线圈置于管件端部外侧,利用双频电流法产生吸引式电磁力实现翻边。然而其翻边能力不强,基于此提出一种带集磁器的吸引式电磁力翻边方法。在现有方法基础上引入集磁器,利用其能够改变磁场位形的特点,优化电磁力分布并增大轴向电磁力,达到增强翻边效果的目的。为验证该方法的可行性,通过搭建管件翻边过程的电磁-结构全耦合有限元仿真模型,对比引入不同集磁器后的翻边效果,同时分析了不同工况对电磁力分布、电磁力密度以及磁场和涡流的影响。得出阶梯型集磁器效果最佳,结果表明,该方法下管件翻边角度从38°增大到90°。进一步分析表明,其磁通密度径向分量和涡流密度环向分量分别增大到164%和135%,作用在管件上的电磁力分布改变,峰值时刻轴向电磁力体密度明显加强,增大到211%。该方法进一步完善了对微小铝合金管件的电磁翻边成形,对拓展电磁成形技术在铝合金管件翻边上的应用具有一定意义。     

含磁芯线圈动态电感计算

从电感的基本定义出发,推导了一个新的递推公式,可准确地对含磁芯线圈动态电感进行数值计算,并在纯电感、含有5匝磁芯线圈和含有17块铁氧体大环磁芯的感应腔在双脉冲励磁情况下分别计算了动态电感量,验证了该方法的可行性。通过电感值可反推出磁芯在各种情况下磁导率的变化曲线,从而确定磁芯的磁特性及其适用范围。     

测量低频大电流的自积分罗氏线圈设计

为测量电容储能脉冲功率源模块电流,设计了磁芯式自积分罗氏线圈。给出了磁芯的选择方法,分析了磁芯饱和问题。解决饱和问题的方法是使用饱和磁感应强度较大的材料,对测量线圈施加去磁磁场,以及等效减小线圈的励磁电流。分析表明:通过增大磁芯直径和截面积,选取线径合适的导线多层绕制的方法来增大线圈自感与电阻比值,可以有效提高线圈的测量幅值范围。使用设计的线圈实测了脉冲功率源模块电流,通过改变模块的充电电压,可以得到线圈出现饱和时对应的电流值。实验结果与理论分析相符合。对于脉冲功率源模块的ms量级脉冲电流信号,改进后的自积分线圈测量范围可以超过50kA。     

含磁芯线圈动态电感计算

 从电感的基本定义出发,推导了一个新的递推公式,可准确地对含磁芯线圈动态电感进行数值计算,并在纯电感、含有5匝磁芯线圈和含有17块铁氧体大环磁芯的感应腔在双脉冲励磁情况下分别计算了动态电感量,验证了该方法的可行性。通过电感值可反推出磁芯在各种情况下磁导率的变化曲线,从而确定磁芯的磁特性及其适用范围。     

测量低频大电流的自积分罗氏线圈设计

为测量电容储能脉冲功率源模块电流,设计了磁芯式自积分罗氏线圈。给出了磁芯的选择方法,分析了磁芯饱和问题。解决饱和问题的方法是使用饱和磁感应强度较大的材料,对测量线圈施加去磁磁场,以及等效减小线圈的励磁电流。分析表明:通过增大磁芯直径和截面积,选取线径合适的导线多层绕制的方法来增大线圈自感与电阻比值,可以有效提高线圈的测量幅值范围。使用设计的线圈实测了脉冲功率源模块电流,通过改变模块的充电电压,可以得到线圈出现饱和时对应的电流值。实验结果与理论分析相符合。对于脉冲功率源模块的ms量级脉冲电流信号,改进后的自积分线圈测量范围可以超过50 kA。