一种单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法技术

本发明专利技术公开了一种单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法，利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中定子永磁体在空间产生的静磁场、转子永磁体在空间产生的静磁场；计算定子永磁体在空间产生的静磁场、转子永磁体在空间产生的静磁场分别对定子永磁体磁化强度和转子永磁体磁化强度的影响，并通过迭代对定子永磁体和转子永磁体的磁化强度及静磁场进行修正；计算修正后定子永磁体的静磁场对转子永磁体产生的扭矩，建立单转子磁摆式机械天线的自由振动方程，计算单转子磁摆式机械天线的固有频率。能够准确的模拟单转子磁摆式机械天线的固有频率特性，有助于计算和调节天线的固有频率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法


[0001]本专利技术属于低频通信领域，具体涉及一种单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法。

技术介绍

[0002]低频电磁波因在海水中趋肤深度大、衰减小、穿透性强等优势，被应用于海水等特殊环境的跨介质电磁通信。然而传统天线辐射效率低，为产生有效的辐射距离，天线占地面积庞大，发信系统需要上兆瓦的功率。
[0003]单转子磁摆式机械天线利用磁场力驱动转子永磁体摆动，从而产生低频信号，可以突破传统天线辐射品质因子的理论极限，并实现天线的小型化。
[0004]单转子磁摆式机械天线在固有频率附近工作时，利用共振效应可以增大转子永磁体的摆动角度，提高天线的辐射功率。因此准确计算单转子磁摆式机械天线的固有频率，有利于天线工作频率的设计，提高天线的辐射强度和辐射效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种单转子磁摆式机械天线固有频率的计算方法，可以用于确定单转子磁摆式机械天线的最佳工作频率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种单转子磁摆式机械天线固有频率的计算方法包括：S1：利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中定子永磁体在空间产生的静磁场；利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中转子永磁体在空间产生的静磁场；
[0007]S2：计算定子永磁体在空间产生的静磁场、转子永磁体在空间产生的静磁场分别对定子永磁体磁化强度和转子永磁体磁化强度的影响，并通过迭代对定子永磁体和转子永磁体的磁化强度及静磁场进行修正；
[0008]S3：计算修正后定子永磁体的静磁场对转子永磁体产生的扭矩，建立单转子磁摆式机械天线的自由振动方程，计算单转子磁摆式机械天线的固有频率。
[0009]进一步地，所述步骤S1中，利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中定子永磁体在空间产生的静磁场具体过程为：
[0010]步骤S11：计算沿X轴方向磁化的长方体永磁体产生的静磁场；
[0011]步骤S12：通过叠加原理计算单转子磁摆式机械天线中两端的定子永磁体产生的静磁场。
[0012]进一步地，所述步骤S11中沿X轴方向磁化的长方体永磁体产生的静磁场为：
[0013][0014]其中(x,y,z)是空间点在笛卡尔坐标系下的位置；H
cx
、H
cy
和H
cz
分别表示长方体永磁体在空间点产生的磁场强度的X、Y和Z轴分量；L
s
、D
s
和H
s
分别是长方体永磁体长度、宽度和高度的一半；
[0015]其中，辅助函数f(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)和g(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)的定义为：
[0016][0017]其中，辅助函数Γ(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)和Φ(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)的定义为：
[0018][0019]其中，函数sgn(x)为符号函数；
[0020]公式(1)中M
s
是长方体永磁体在开路状态下的磁化强度；
[0021][0022]其中是长方体永磁体的剩余磁化强度；N
s
是长方体永磁体的退磁因子；χ
s
是长方体永磁体的磁导率。
[0023]进一步地，所述步骤S12中定子永磁体的静磁场是由单转子磁摆式机械天线内两端的两个长方体永磁体在空间产生的静磁场叠加而成；根据公式(1)，定子永磁体在空间产生的静磁场为：
[0024][0025]其中H
sx
，H
sy
和H
sz
分别表示定子永磁体在空间点产生的磁场强度的X，Y和Z轴分量；D
ss
是组成定子永磁体的两个长方体永磁体中心距的一半。
[0026]进一步地，所述步骤S1中转子永磁体在空间产生的静磁场为：
[0027][0028]其中(R,Φ,Y)是空间点在柱坐标系下的位置；H
rx
，H
ry
和H
rz
分别表示转子永磁体在空间产生的磁场强度的X，Y和Z轴分量；R
r
是转子永磁体的半径；H
r
是转子永磁体高度的一半；k1是椭圆积分的第一种椭圆模；k2是椭圆积分的第二种椭圆模；
[0029][0030]公式(6)中M
r
是转子永磁体在开路状态下的磁化强度；
[0031][0032]其中是转子永磁体的剩余磁化强度；N
r
是转子永磁体的退磁因子，χ
r
是转子永磁体的磁导率；
[0033]公式(6)中函数F1(k1)、F2(k1)、F3(k1)是辅助函数，如下：
[0034][0035]其中n是椭圆积分的特征数；
[0036][0037]其中函数和分别表示第一种第一类完全椭圆积分、第一种第二类完全椭圆积分和第一种第三类完全椭圆积分；
[0038][0039]其中θ是因对转子永磁体圆柱面的弧度积分而引入的积分变量；
[0040]同理，公式(6)中函数F1(k2)、F2(k2)、F3(k2)是辅助函数，函数结构与F1(k1)、F2(k1)、F3(k1)分别相同，具体如下：
[0041][0042]其中函数和分别表示第二种第一类完全椭圆积分、第二种第二类完全椭圆积分和第二种第三类完全椭圆积分；
[0043][0044]进一步地，所述步骤S2中定子和转子永磁体在空间产生的静磁场分别对定子、转子永磁体磁化强度的影响具体为：
[0045][0046]其中H
ms
和H
mr
分别表示定子永磁体和转子永磁体所处环境中沿磁化方向的外磁场强度；M
s
'和M
r
'分别表示在外磁场作用下，定子永磁体和转子永磁体的实际磁化强度；
[0047]空间中的磁场分布复杂，永磁体内不同位置处的静磁场不同，因此以永磁体所处环境中，沿磁化方向外磁场的平均值视为永磁体受到的外磁场；基于结构的对称性，组成定子的两个长方体永磁体受到的外磁场均为H
ms
，因此定子永磁体和转子永磁体所受到的外磁场分别为：
[0048][0049]为了计算修正后，定子永磁体和转子永磁体的磁化强度及定子永磁体的磁场，采用迭代的方法求解；以外磁场为0时定子永磁体和转子永磁体的磁化强度M
s
和M
r
作为初始值，根据公式(15)计算定子永磁体和转子永磁体受到的外磁场H
ms
和H
mr
；根据公式(14)计算
修正后的定子永磁体和转子永磁体实际磁化强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法，其特征在于，包括S1：利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中定子永磁体在空间产生的静磁场；利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中转子永磁体在空间产生的静磁场；S2：计算定子永磁体在空间产生的静磁场、转子永磁体在空间产生的静磁场分别对定子永磁体磁化强度和转子永磁体磁化强度的影响，并通过迭代对定子永磁体和转子永磁体的磁化强度及静磁场进行修正；S3：计算修正后定子永磁体的静磁场对转子永磁体产生的扭矩，建立单转子磁摆式机械天线的自由振动方程，计算单转子磁摆式机械天线的固有频率。2.根据权利要求1所述的单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用虚拟磁荷计算单转子磁摆式机械天线中定子永磁体在空间产生的静磁场具体过程为：步骤S11：计算沿X轴方向磁化的长方体永磁体产生的静磁场；步骤S12：通过叠加原理计算单转子磁摆式机械天线中两端的定子永磁体产生的静磁场。3.根据权利要求2所述的单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法，其特征在于，所述步骤S11中沿X轴方向磁化的长方体永磁体产生的静磁场为：其中(x,y,z)是空间点在笛卡尔坐标系下的位置；H
cx
、H
cy
和H
cz
分别表示长方体永磁体在空间点产生的磁场强度的X、Y和Z轴分量；L
s
、D
s
和H
s
分别是长方体永磁体长度、宽度和高度的一半；其中，辅助函数f(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)和g(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)的定义为：其中，辅助函数Γ(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)和Φ(x,y,z,L
s
,H
s
,D
s
)的定义为：其中，函数sgn(x)为符号函数；公式(1)中M
s
是长方体永磁体在开路状态下的磁化强度；
其中M
s0
是长方体永磁体的剩余磁化强度；N
s
是长方体永磁体的退磁因子；χ
s
是长方体永磁体的磁导率。4.根据权利要求3所述的单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法，其特征在于，所述步骤S12中定子永磁体的静磁场是由单转子磁摆式机械天线内两端的两个长方体永磁体在空间产生的静磁场叠加而成；根据公式(1)，定子永磁体在空间产生的静磁场为：其中H
sx
，H
sy
和H
sz
分别表示定子永磁体在空间点产生的磁场强度的X，Y和Z轴分量；D
ss
是组成定子永磁体的两个长方体永磁体中心距的一半。5.根据权利要求4所述的单转子磁摆式机械天线固有频率计算方法，其特征在于，所述步骤S1中转子永磁体在空间产生的静磁场为：其中(R,Φ,Y)是空间点在柱坐标系下的位置；H
rx
，H
ry
和H
rz
分别表示转子永磁体在空间产生的磁场强度的X，Y和Z轴分量；R
r
是转子永磁体的半径；H
r
是转子永磁体高度的一半；k1是椭圆积分的第一种椭圆模；k2是椭圆积分的第二种椭圆模；公式(6)中M
r
是转子永磁体在开路状态下的磁化强度；其中M
r0
是转子永磁体的剩余磁化强度；N
r
是转子永磁体的退磁因子，χ
r
是转子永磁体的磁导率；公式(6)中函数F1(k1)、F2(k1)、F3(k1)是辅助函数，如下：
其中n是椭圆积分的特征数；其中函数和分别表示第一种第一类完全椭圆积分、第一种第二类完全椭圆积分和第一种第三类完全椭圆积分；其中θ是因对转子永磁体圆柱面的弧度积分而引入的积分变量；同理，公式(6)中函数F1(k2)、F2...

【专利技术属性】
技术研发人员：何琳，宋伟业，翟琦，帅长庚，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：