金属环形槽缺陷的2D涡流场的分析

本文将对桶形金属中的环形槽缺陷进行分析，2D涡流场进行分析，定性说明该缺陷对磁场和阻抗所产生的影响。

使用的工具是ANSYS有限元分析软件 Maxwell ，它适用于2D-3D 低频电磁场的求解分析，并可针对性进行参数优化。

1.建模

 

桶长 1000mm，壁厚4.5mm，内径80mm，材质为铁。

在离端口200mm处，刻槽，槽宽20mm，深2mm.

背景区域材质为空气。

2.添加激励

对探头施加50000Hz的正弦电流信号进行激励。

3.运用Maxwell 涡流求解器进行仿真分析。确定不同探头处于不同位置时，复阻抗的大小。

4.原理分析

阻抗的影响因素

阻抗由两部分构成电阻和电抗，此处忽略掉电容影响和线圈电阻影响。

其中感抗由以下部分构成。

u0 是 真空磁导率，us为材料相对磁导率，N2是匝数，S为线圈面积，l为磁链长度。

由上面公式可以看出，磁链长度和相对磁导率将会影响线圈电感量，进而影响阻抗。

 电桥检测

探头和激励信号可近似为下面电路。

Z1，Z2为外置参考阻抗器件；Z3 和 Z4为探头阻抗。ui为激励信号，uo为桥壁输出。Z1，Z2，Z3，Z4均为复数。

 

其中

 

由上面算式可以看出，当

时，电桥平衡，uo=0。

令Z1 = Z2，则当且仅当Z3=Z4时，Uo=0.

控制线圈的结构参数，余下的变量就剩下l-磁链长度和us-相对磁导率。当这两个参数变化时，则引起电桥不平衡，进而uo也对应地发生变化。

整个因果关系如下图所示：

 

电桥平衡时的磁场分布，左右线圈磁场完全对称。

 

 

电桥不平衡的磁场环境（5000Hz），可以看到左-右侧磁场明显不对称。

 

 

实测图像

仿真图像

 

 

此次仿真历时4天,才计算完成.由于多次计算缘故,出现错误,中间有断点.但不影响定性分析.

图中所示为1/2管长数据上图为实部,下图为虚部,水平轴时位移,分辨率为1mm,可以看到在约320mm处,即离端头180mm处有明显起伏.与实测数据一致.