شبیه سازی آموزشی مدل تحلیلی توزیع میدان مغناطیسی در شتاب‌سنج کوارتز با متلب

چکیده مقاله (ترجمه ماشینی)

به عنوان سنسورهای معمولی اینرسی با دقت بالا، شتاب‌سنج‌های انعطاف‌پذیر کوارتز در بسیاری از شرایط مانند سیستم‌های ناوبری اینرسی کم هزینه، کاربرد گسترده‌ای دارند. به منظور ارزیابی سریع توزیع میدان مغناطیسی در شکاف هوای این شتاب‌سنج‌ها و ارائه دانش روشن‌گری برای بهینه‌سازی طراحی، ما یک روش تحلیلی بر اساس پتانسیل مغناطیسی اسکالر برای توصیف رفتار مغناطیسی آنها معرفی کردیم. برخی از معادلات لاپلاس و پویسون مرتبط با جداسازی متغیرها حل شده و پارامترهای جواب ها با مجموعه ای از معادلات بردار خطی با در نظر گرفتن شرایط مرزی محاسبه می شوند. میدان مغناطیسی محاسبه‌شده با روش تحلیلی پیشنهادی، از طریق روش اجزای محدود و برخی آزمایش‌های اولیه مؤثر است، علاوه بر این، ضریب مقیاس تخمین زده‌شده را می‌توان با آزمایش چرخش میدان گرانشی تأیید کرد.

شتاب سنج انعطاف پذیر کوارتز (QFA) به طور گسترده در سیستم های ناوبری اینرسی، سیستم جهت یابی ناوبری، سیستم مرجع نگرش و سمت و سیستم جهت گیری حفاری نفت و غیره به دلیل بایاس عالی، ضریب مقیاس و پایداری تراز محور استفاده می شود [1]. -4] و عملکرد آن مستقیماً بر دقت اندازه گیری و پایداری سیستم ها تأثیر می گذارد [5]. به عنوان یک شتاب سنج تعادل مجدد نیرو [6]، بخش مهمی از QFA، گشتاور آهنربای دائمی (PM) است که برای بازگرداندن جرم اثبات به موقعیت صفر در امتداد محور حساس استفاده می شود [7]. بنابراین QFA همچنین یک مبدل بازخورد مغناطیسی-الکتریک است که می‌تواند موقعیت تعادل خود را به طور خودکار به دست آورد تا دقت بالاتر و محدوده اندازه‌گیری وسیع‌تر را بدست آورد [8]. به ویژه سیم پیچ ها به صورت متحدالمرکز در شکاف هوا قرار دارند که در آن میدان مغناطیسی توسط مسیر برگشت مغناطیسی تامین می شود [9]. دانش دقیق توزیع میدان مغناطیسی در شکاف هوا به ارزیابی عملکرد تعادل مجدد کمک می کند و دقت را بیشتر تعیین می کند، بنابراین برای طراحی و بهینه سازی QFA ها بسیار مهم است [10]. با این حال، تحقیقات اخیر QFA عمدتاً بر جبران دما [11،12]، رانش پارامتر [13]، نویز زدایی سیگنال [14] و تنش پسماند [15] تمرکز دارد، بدون نگرانی کافی در مورد میدان مغناطیسی. بنابراین در این مطالعه، ما یک مدل تحلیلی برای بحث در مورد توزیع میدان مغناطیسی در شکاف هوایی QFA پیشنهاد می‌کنیم. میدان مغناطیسی شکاف هوا در QFA را می توان با روش تحلیل مدار مغناطیسی و روش اجزای محدود (FEM) محاسبه کرد. هر دو روش مبنای تئوری را برای طراحی گشتاور PM ارائه می دهند. با این حال، روش تجزیه و تحلیل مدار مغناطیسی نمی تواند اثرات شکاف را در نظر بگیرد و FEM نه تنها زمان زیادی را صرف می کند، بلکه برای طراحی انعطاف پذیری ضعیفی نیز دارد [16-18]. به منظور اطمینان از نیرو در امتداد محور حساس، شکافی در یوغ آهنی وجود دارد زیرا محور حساس از مرکز هندسی QFA عبور نمی کند. بنابراین گشتاور PM ساختار تقارن کافی برای اتخاذ روش تحلیل مدار مغناطیسی ندارد [19-21]. خوشبختانه، میدان مغناطیسی شکاف هوا با اثرات شکافی را می توان با چندین تکنیک از جمله روش های تحلیلی و نیمه تحلیلی، که اغلب در تجزیه و تحلیل موتورهای PM [22-26] و یاتاقان های PM [27،28] استفاده می شود، ارزیابی کرد. در اینجا، یک تکنیک تحلیلی به نام روش زیر دامنه برای محاسبه توزیع میدان مغناطیسی در شکاف هوای گشتاور QFA برای این روش معرفی می‌شود که می‌تواند دانش روشنگری برای طراحی ارائه دهد. این روش از مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل جزئی از نظر پتانسیل مغناطیسی اسکالر برای توصیف رفتار میدان استفاده می کند و راه حل با جداسازی متغیرها و شرایط مرزی تعیین می شود. همچنین صحت روش پیشنهادی با FEM و برخی نتایج تجربی تأیید شده است. هدف این مقاله پیشنهاد یک مدل تحلیلی برای توصیف توزیع میدان مغناطیسی در شکاف هوای QFA است که می‌تواند به سرعت ضریب مقیاس QFA را ارزیابی کند و به طراحی گشتاور آن قبل از تولید کمک کند. طبق دانش ما، این اولین بار است که یک روش تحلیلی برای تجزیه و تحلیل میدان مغناطیسی در QFA ها استفاده می شود. مقاله بصورت زیر مرتب شده است. بخش بعدی ساختار مدار مغناطیسی QFA را به همراه تجزیه و تحلیل نظری دقیق در مورد معادلات پتانسیل مغناطیسی اسکالر و شرایط مرزی مربوطه ارائه می‌کند. راه حل تحلیلی از طریق جداسازی متغیرها به دست می آید و سپس با FEM مقایسه می شود و نتایج تجربی برای نشان دادن امکان سنجی مدل دنبال می شود. بخش نتیجه گیری در نهایت برای خلاصه کردن کل مقاله آمده است. سفارش انجام پروژه متلب

هدف:

محاسبه تحلیلی چگالی شار مغناطیسی در فاصله هوایی شتاب سنج انعطاف پذیر کوارتز

معادلات:

شکل (1) ساختار کلی QFA را نشان می دهد.

ساختار کلی به سه ناحیه slot region  با شعاع ،  Air-gap با شعاع بیرونی  و شعاع داخلی  و ناحیه PM با شعاع بیرونی  تقسیم می شود.

میدان مغناطیسی در هر ناحیه با در نظر گرفتن شرایط مرزی زیر محاسبه می شود.

Slot region: