高能电磁脉冲对永磁电器的干扰机理与分析方法研究

Tremendous damaging effects of electromagnetic pulse on the electronic system have caused widespread attention of scholars at home and abroad. As the important component in the communication, control and telemetry systems, the anti-electromagnetic pulse capability of the electrical apparatus with permanent magnet will directly affect the survival capability of the electronic system in the information warfare. For gaps in the status of the electromagnetic pulse interference mechanism and analysis method of the electrical apparatus with permanent magnet, the electrical apparatus with non-linear permanent magnet is chosen as the object of study in this project. The numerical simulation method of the effect mechanism of the electromagnetic pulse on the permanent magnet characteristics will be investigated based on the micromagnetic theory and finite element method. And then the dynamic characteristic model of the electrical apparatus will be established, coupling with the effect of the electromagnetic pulse. At the same time, the distribution parameters extraction method of the electromagnetic system and contact system in apparatus will be studied and the equivalent model of conduction interference will be built, containing parasitic capacitance and inductance. Based on the above models, the interference mechanism of the electromagnetic pulse on the electrical apparatus will be analyzed and the quantitative description function between the electrical apparatus characteristics and its anti-electromagnetic pulse capability will be established to determine the key factors affecting the ability of the anti-electromagnetic pulse and optimum design method. A test and analysis system with similar physical model will be developed to verify the correctness of the above theoretical study. This project has the theoretical significance and practical value for improving the anti-electromagnetic pulse capability of the electrical apparatus and the reliability of the national defense electronic system.

电磁脉冲对电子系统的巨大破坏作用已引起国内外学者广泛关注。永磁电器作为通讯、控制、遥测等系统中的重要元件，其抗电磁脉冲性能直接影响系统在信息战对抗中的生存能力。针对目前电磁脉冲对永磁电器干扰机理和分析方法存在空白的现状，本项目以含有非线性永磁材料的电器为对象，基于微磁学理论和有限元方法研究电磁脉冲对磁系统中永磁体特性作用机理的数值模拟方法，进而得到电磁脉冲作用下永磁电器动态特性计算模型。同时，研究永磁电器电磁系统和接触系统分布参数的准确提取方法，建立含有寄生电容和电感的等效传导干扰模型。基于上述模型，分析电磁脉冲对永磁电器干扰机理，研究永磁电器下位特性与其抗电磁脉冲能力之间的定量描述函数，确定影响其抗电磁脉冲干扰能力的关键因素和优化设计方法。通过搭建相似物理模型的测试分析系统完成上述研究的验证。本项目对以继电器为代表的开关电器抗电磁脉冲能力及国防电子系统可靠性的提高具有理论意义与实用价值。

本项目针对高能电磁脉冲环境对永磁电器的影响机理和建模分析技术的相关问题进行了较为细致的研究，主要获得以下七方面的研究进展。.(1) 基于微磁学理论和有限元方法，研究给出了高能脉冲磁场对非线性永磁材料特性作用的数值模拟方法，并提出了一种永磁体分布参数模型，通过与有限元方法和实验测试数据对比，验证了该分布参数模型在永磁单体计算中的正确性。.(2) 基于电磁特性计算和多体结构动力学建立了永磁电器动态特性求解模型，实现了永磁电器机电磁耦合的动态特性仿真分析，为研究电磁脉冲干扰对永磁电器动态特性的影响提供了基础模型。.(3) 考虑到漏磁和磁材料的非线性效应，采用补偿矩阵将磁路法和有限元方法相结合，提出了基于半解析建模技术的电器动态特性快速计算方法，相比有限元方法取得了计算效率的极大提升。.(4) 研究提出了电器内部结构中多匝密绕线圈的寄生参数提取方法并给出了其等效电路模型，在所建立的等效电路模型基础上，采用电路仿真软件Simplorer分析电器在通电、断电状态下，电磁脉冲从引脚进入电器内部，使其内部结构受到干扰的规律。.(5) 基于热相似理论计算了电磁继电器各向表面的对流散热系数，对电磁脉冲环境下的电磁继电器温度场分布进行了三维有限元热电耦合仿真。.(6) 基于正交试验思想提出了针对电器抗电磁脉冲性能的优化设计方法。.(7) 完成了平行板式有界波电磁脉冲模拟器的研制，基于有界波电磁脉冲模拟器和电器时间参数测试仪搭建实现了永磁电器抗电磁脉冲性能测试装置，为试验研究永磁电器受电磁脉冲干扰的影响规律提供了技术条件，也为理论结果的验证提供了有效手段。.目前，本项目在国内外重要期刊和会议上累计发表学术论文11篇，其中，SCI论文5篇，EI论文3篇，申请国家发明专利4项，培养博士研究生1名，硕士研究生4名。