四极子磁场的设计与仿真

论文总字数：22526字

目 录

摘要 Ⅲ

Abstract Ⅳ

第一章 绪论 1

第二章 背景介绍 1

2.1 永磁体介绍及应用 1

2.1.1 永磁体初步介绍 1

2.1.2 稀土永磁体在工程中的应用 1

2.1.3 永磁体在医疗方面的应用 2

2.2 安培分子电流假说 2

2.3 电磁发射技术 2

2.4 MATLAB仿真 3

2.4.1 MATLAB介绍 3

2.4.2 MATLAB的应用 3

第三章 研究目的 4

第四章 实验设计 4

5.1 矩形永磁体磁场 5

5.2 两块永磁体情况 7

5.4 四极子磁场叠加原理 7

5.4.1 四极子磁场概述 7

5.4.2 弹体受力分析 10

5.4.3 系统能量转化过程 11

5.4.3.1 能量分布变化—充能 11

5.4.3.2 最大速度 12

5.4.3.3 涡流损耗 12

5.4.3.4 涡流损耗函数模型 12

5.4.3.5 能量转移 13

5.4.4 四极子加速模型 13

5.4.5实验结果及分析 13

第六章 仿真过程及结果讨论 14

6.1 MATLAB仿真结果 14

6.2 四极子系统磁场分析 15

第七章 其他形式电磁加速技术 16

7.1轨道炮 16

7.2 线圈炮 17

7.3 重接炮 18

第八章 结论 18

第九章 讨论及展望 19

参考文献 19

致谢 21

四极子磁场的设计与仿真

满懿幪

，China

Abstract：The paper presents a new form of more efficient electromagnetic energy and kinetic energy conversion system, that is, quadrupole magnetic acceleration system. The basic principle of the quadrupole magnetic acceleration system is analyzed by a single permanent magnet and its superposition. The experimental device of the quadrupole magnetic acceleration system is designed and the magnetic acceleration of the quadrupole is completed by computer simulation. System feasibility verification. Finally, a brief analysis of the advantages of the quadrupole magnetic acceleration system relative to the traditional electromagnetic energy and kinetic energy conversion system.

Key words：Permanent magnet, molecular current, quadrupole magnetic field, MATLAB simulation

第一章 绪论

四极子磁力加速系统是一种新形式的电磁能与动能转化的系统，该系统不需要大功率脉冲电源驱动；系统运行时对设备损伤小，设备维护成本低；系统结构简单，对控制系统精度要求相对较低；能量转化率高等特点。

传统的较为成熟的电磁能与动能转化的技术主要有轨道型电磁加速系统、线圈型电磁加速系统、磁力线重接型电磁加速系统等。轨道型电磁加速系统运行时需要大功率脉冲电源驱动，需要MA级驱动电流，大量能量以热能形式释放，能量转化率30%以下，该系统不仅在超高电流环境下工作，还要承受滑动电接触，对系统部件尤其是对通电导轨的损伤十分严重，系统维护成本高；线圈型电磁加速系统同样以大功率脉冲电源驱动，由于采用非接触式加速，启动时对系统的损伤较小，但较短时间内很难达到高速度，一般采用多级加速，这就对控制系统的精度要求非常高，同时该系统的结构特性决定了它适合于加速质量较大的柱状物体如榴弹炮等；磁力线重接型电磁加速系统是一种发展潜力较大的电磁能与动能转化系统形式，但由于其固有的系统结构刚度不足、控制系统难度大等问题，目前只适合加速板状物体，技术发展较为缓慢。综上所述，轨道型、线圈型、磁力线重接型电磁加速系统的主要局限在于大功率驱动电源技术、系统维护、控制系统精度和刚性结构等方面。本文提出的四极子磁力加速系统不需要大功率脉冲电源驱动，避开了大功率脉冲电源的技术壁垒，系统维护成本较低，同时也可以设计为多级结构以适应不同的加速需要。此外，该系统将场能作为容器，能量以势能形式释放并转化为动能，能量转化率可达到90%以上。本文从系统充能方式、能量释放形式、四极子磁场的构造等几个方面详细分析了四极子概念应用在磁力发射领域的可行性，为了验证该系统的实际可操作型，并且设计了相关的实验验证，最后对四极子磁力加速技术的应用前景进行展望。

第二章 背景介绍

2.1 永磁体介绍及应用

2.1.1 永磁体初步介绍

永磁体是能够长期保持一定磁性的磁体。永磁体可以分为天然形成的永磁体如磁铁矿和经过加工之后生成的人造磁体。人造磁体通常由易于被磁化的金属经过一定处理后，其内部磁化的不均匀性达到最佳状态从而可以具有稳定的不易消磁的状态。永磁体是一种应用非常广泛的材料，像电动机和执行器，扬声器，以及磁传感器。特别是生产成本较低，而且由于任何方向的可磁化性而产生的附加功能，使它们在许多发展迅速、技术性强的领域中发挥着很重要的作用，磁悬浮列车、电子通信产业、仪器仪表、医疗器械等方面，需要很大程度上依赖永磁体。对于电磁发射而言，单个的永磁体是无法发挥如此大的作用的，因此研究多个永磁体叠加非常有意义。

2.1.2 稀土永磁体在工程中的应用

稀土永磁材料最初诞生于20世纪60年代，并且发展非常迅速。目前应用最多的稀土永磁材料发展到了第三代，为钕-铁-硼（NdFeB）永磁材料，这种材料不需要昂贵的金属作为原料，所以所需原料丰富且价格低廉，而它的高磁能可以为人们提供一种高效的研究路线，因此研究人员着重对这种永磁材料进行了研究，并在NdFeB永磁材料的研究、开发中有了很大进展。近年来出现了纳米NdFeB磁体，它的磁性能可以用不同种类的微结构进行定制。在稀土永磁材料发展中，第一代稀土永磁材料为1:5型钐-钴永磁，出现在上世纪60年代，70年代出现的是第二代稀土永磁-2:17型钐-钴永磁，从第一代到第三代，永磁材料的磁能积逐渐增加。稀土永磁材料的主要用途有两个：用来产生空间的磁场和为部件提供力学服务。

在机械工程工作中，我们主要利用了稀土永磁材料提供力学服务的用途。例如磁轴承、磁阀门、磁力联轴器、磁分离技术和磁悬浮工程等。其中磁轴承利用磁极同极相斥的原理，将两块磁体的同极相对放置，在磁体空间会产生一个磁场，使转动部分悬浮于磁场中，因此它不存在部件之间的机械摩擦，并且运行时产生的噪声很小，工作温度范围比较大，动力学性能好，转速高，环境适应性强，在高速运转机械中显示出了很大优势。目前在人造卫星、陀螺仪、超高速离心机和精密仪器等领域有着很重要的应用。在其他应用方向，也是利用磁极间的相互作用和永磁体产生的磁场作用达到相应的工作目的，大部分产品都具有无污染、无摩擦、噪声小、易于控制等优点。

2.1.3 永磁体在医疗方面的应用

在医疗方面，根据永磁体能吸引铁磁物体的特点，在外科手术中，永磁体经常被用作取出患者身上异物的工具，例如儿童误食了铁质物体，因其年龄小，加上患处是要害部位难以进行手术，则可以利用永磁体，再用上其他工具，就可以保证儿童的安全。另外一种情况是，患者血管很细或者病灶很深，通过注射的方法很难使药物固定在某个位置，而又希望药物在患处停留比较长的时间，那么就可以把药物固定在一个易于在血管中随之血液流动的永磁体中，通过外加重叠脉冲磁场，可以控制该永磁体带着药物在血管中沿磁场梯度运动，从而到达要治疗的位置，达到治疗的目的。目前人们虽然发现了磁体的生物学效应，有些治疗机理还尚不清楚，所以永磁体在医疗上还有很大发展空间。

2.2 安培分子电流假说

近代物理认为磁效应来自电流。1820年，丹麦物理学家奥斯特在向学生做演示实验时发现载流导线附近的磁针受到了力而偏转，这是对“电流的磁效应”猜想的首次验证。这一结果引起了科学家的浓厚兴趣。在奥斯特发现公布几周后，法国物理学家安培获得了一系列关于载流导线之间的磁相互作用力的实验结果。既然电流和永磁体都表现出磁性，人们也希望能够找到一种把磁现象和电现象统一起来的理论。安培首先提出一个假说，他认为，一切磁现象都起因于电流，任何物质的分子中都存在许多个闭合的电流，即分子电流，每个分子电流都具有磁性。对于一般物质，各分子电流方向杂乱无章，磁性相互抵消；对于永磁体，各分子电流的排列有一定规则，磁性相互加强而导致整体显示磁性。

2.3 电磁发射技术

电磁发射是指根据磁场与电流之间的相互作用，利用电磁力发射或驱动物体，在短时间内用较大的功率加速物体，并使加速后的速度达到要求的一类发射装置。电磁发射技术的研究目的是在有限的空间内给予投射体一个极高的速度，被发射的推进器内的能量极大，但是容易控制。目前主要应用就是军事领域，可用于发射导弹的防御武器等。轨道炮是最简单的电磁发射器，轨道炮系统中的单极机也是当前的研究热潮。目前电磁发射领域的佼佼者是美国，有很多电磁发射的研究成果都出自美国，包括美国军队和NASA都不断的研究和改进电磁发射技术，中心位于美国和澳大利亚的西屋研究和发展中心是为电磁发射技术做出重大贡献的研究中心。其次英国、法国和德国有专门的研究机构，并且与美国有积极的研究合作，近年来也有了一定的研究成果。中国和俄罗斯研究规模不大，但也会收集其他国家的经验。其他国家基本处于起步阶段。近年来技术的快速发展，研究者可以将目标投射物加速到越来越大的速度。

2.4 MATLAB仿真

2.4.1 MATLAB介绍

MATLAB是目前在数值计算方面首屈一指的三大数学软件之一。MATLAB主要进行的是矩阵运算，另外还可以用MATLAB绘制函数和数据、创建用户界面、实现算法、与其他编程语言的程序连接等，主要应用的方向有控制设计、工程计算、图像处理、信号检测、处理与通讯、金融建模设计和分析等。它具有很多优点：首先是强大的符号计算和高效的数值计算功能，能使用户摆脱繁杂的数学运算分析。MATLAB还具有优秀的图形处理功能，可以使计算结果和编程可视化。它友好的用户界面及接近数学表达式的语言，易于学者的学习和掌握。此外MATLAB还配备了功能丰富的工具箱为使用者提供了许多便捷且实用的处理数据的工具，而不需要使用者手动计算。MATLAB的语法特征与C 语言极为相似，而且更加简化，更加适用于科技工作者对数学表达式的书写方式。使之可以更好的被非计算机专业的科技人员应用。而且这种语言可拓展性极强，易于移植和修改，这也是MATLAB能够在科学研究及工程计算各个领域无法或缺的重要原因。此外，因为我们在之前接触过c语言程序设计，因此MATLAB仿真方法更接近我可以达到的水平。

2.4.2 MATLAB的应用

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