Аналіз та синтез структури магнітного поля технічних об'єктів на основі просторових гармонік

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.05 – теоретична електротехніка (141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової проблеми розвитку теоретичних основ, методів і засобів аналізу і синтезу просторової структури стаціонарного магнітного поля технічних об'єктів на основі витягнуто-сфероїдальних, сферичних, сплюснуто-сфероїдальних, а також циліндричних гармонік скалярного потенціалу. У дисертаційній роботі обґрунтовано засади практичного застосування просторового гармонічного аналізу магнітного поля поблизу поверхні технічних об'єктів (ТО) з урахуванням особливості їх форми. Для використання в якості теоретичної основи синтезу струмових джерел магнітного поля отримано узагальнене зображення векторного потенціалу у вигляді його взаємозв'язку з витягнуто-сфероїдальними, сферичними та сплюснуто-сфероїдальними гармоніками скалярного потенціалу магнітного поля. Розроблено метод експериментального визначення амплітудних коефіцієнтів просторових гармонік, заснований на узагальненому представленні сферичних і сфероїдальних гармонік магнітного поля, для практичного визначення просторової структури магнітного поля поблизу поверхні технічних об'єктів, з використанням єдиної експеримен-тально-методичної бази. Розроблено метод практичного визначення величин 24-х амплітудних коефіцієнтів сферичних гармонік магнітного поля за допомогою системи кругових контурних обмоток, який використовує при математичній обробці сигнатур обертання властивість зменшення відносного вкладу в вимірюваний магнітний потік від гармонік старших степенів магнітного поля при видаленні від поверхні ТО. Розроблено метод експериментального визначення мультипольних магнітних моментів, заснований на інтегральній обробці сигнатур трьох проекцій магнітної індукції, зафіксованих поблизу технічного об'єкта, при його лінійному переміщенні. Виконано класифікацію методів і засобів експериментального визначення сферичних гармонік магнітного поля технічних об'єктів. Обґрунтовано принципи побудови систем для експериментального визначення просторових гармонік магнітного поля ТО. Для пошуку параметрів конструкції циліндричного електромагніта з максимальним створюваним магнітним моментом розроблено аналітичну модель магнітного поля електромагніту, на основі циліндричного гармонічного аналізу індуктивної намагніченості його феромагнітного осердя. Для створення із заданою якістю просторової структури магнітного поля квадрупольного електромагніту розроблено метод мінімізації вкладів неквадрупольних середньо-інтегральних по довжині коефіцієнтів магнітної індукції в апертурі, на основі знайденого їх взаємозв'язку з параметрами конструкції залізного ярма і надпровідної струмової обмотки.Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.09.05 – theoretical electrical engineering (141 – electric power engineering, electrotechnics and electromechanics). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2019. The dissertation is devoted to solve the actual scientific problem of the development of theoretical bases, analysis and synthesis methods and means of the spatial structure of the stationary magnetic field of technical objects on the basis scalar potential’s of elongated spheroidal, spherical, flattened-spheroidal, and cylindrical harmonics. In the thesis substantiated practical application principles of spatial harmonic analysis of the magnetic field near the technical objects (TO) surface, taking into account their forms peculiarities. To use as a theoretical basis for the synthesis of magnetic fields current sources, the generalized vector’s potential representation is obtained in the form of its interrelation with elongated-spheroidal, spherical and oblate-spheroidal harmonics of the scalar potential of the magnetic field. The experimental determination method of amplitude coefficients of spatial harmonics, based on the generalized representation of spherical and spheroidal harmonics of the magnetic field, is developed for practical determination of the spatial structure of the magnetic field near the surface of technical objects, using a single experimental-methodical basis. The method for practical determination of the values of the 24 amplitude coefficients of spherical harmonics of a magnetic field by means of a system of circular contour windings using, in the mathematical processing of rotational signatures, the property of reducing the relative contribution to the measured magnetic flux from the harmonics of the higher power magnetic field when moving away from the surface of TO is developed. The method of experimental determination of multipole magnetic moments, based on integral processing of pass-through characteristics of three magnetics induction projections, fixed near the technical object, with its linear displacement, is developed. The classification of methods and means of experimental spherical harmonic’s determination of technical object’s magnetic field is fulfilled. The principles of system’s construction for experimental determination of spatial harmonics of magnetic field TO are substantiated. An analytical electromagnet’s model of the magnetic field, based on a cylindrical harmonic analysis of the inductive magnetization of its ferromagnetic core, was developed to find cylindrical electromagnet’s parameters with a maximum-created magnetic moment. To create a quadrupole electromagnet with the given quality of the magnetics field spatial structure, a method for minimizing the contributions of nonquadrupture intermediate-integral lengths of the magnetic induction coefficients in the aperture, based on their found relationship with the parameters of the floors yarn construction and the superconducting current winding, was developed.