励磁装置磁化效果的有限元仿真与相关实验

　　0　引　言

　　电磁无损检测方法广泛用于铁磁构件的检测中,漏磁检测是其中的一种。采用该方法的漏磁检测装置主要包括励磁装置和检测装置两部分,励磁装置的设计对于缺陷的精确检测和识别是很重要的[1]。永磁磁化是在线磁性检测设备中磁化被测构件的优选方式[2],多励磁回路不仅能够产生很强的磁化场,且在钢缆等铁磁构件横截面中的磁场保持均匀一致,因此得到广泛采用[3]。对于励磁装置结构设计问题,传统的计算方法计算精度和效率并不理想,实验法则耗费大量资金和时间。计算机有限元仿真作为现代一种重要的科研手段,在工程设计和开发中的各个阶段都有着极其独特的重要作用,具有其他手段无法比拟的显著优势。本文以钢缆为例,对其缺陷检测装置中励磁装置的结构进行有限元分析设计,并做了相关实验。

　　1　励磁装置结构设计

　　为确保钢缆缺陷漏磁场能够被准确、稳定、可靠地检测出来,励磁磁路的设计必须保证: 1)将钢缆磁化到饱和状态; 2)保证磁化场在钢缆横截面内均匀一致; 3)两永久磁铁之间中部沿钢缆轴向形成一段均匀的磁场区[3]。同时,励磁装置应具有最低的成本、最小的体积、最轻的重量和最优的性能。

　　为便于建模求解,对励磁装置的结构进行简化,简化后的结构如图1。图中,励磁装置包括衔铁和永久磁铁两部分,永久磁铁环绕钢缆布置,衔铁环绕永久磁铁,整个装置做成开合式结构,检测用传感器放置在两块永久磁铁之间。

　　图中,D_r为钢缆公称直径; h₁为永久磁铁与钢缆表面之间的径向距离; h₂为永久磁铁沿钢缆径向厚度; h₃为衔铁沿钢缆径向厚度;L₁为永久磁铁两端内侧面沿钢缆轴向的距离;L₂为永久磁铁沿钢缆轴向的长度。

　　结构设计中,首先,根据钢缆的直径D_r选择永久磁铁和衔铁的牌号和相应尺寸h₂,L₂,h₃。L₁和h₁是励磁装置设计的关键尺寸。h₁越小,永久磁铁进入钢缆的磁通越多,越容易把钢缆磁化到饱和状态;但永久磁铁与钢缆之间的磁力变大,不利于在线检测时励磁装置在钢缆表面的移动。L₁需要满足L₁≥nL_m+2D₂。其中,Lm为钢缆的股距;D2为磁化过渡长度,是钢缆表面磁感应强度为零位置到永久磁铁内侧面的最短距离。在满足要求的前提下,L1越小,励磁装置的重量和成本越小。

　　2　有限元仿真结果分析

　　有限元分析方法是目前工程技术领域中实用性最强,应用最为广泛的数值计算方法之一。目前,一些专业性的电磁有限元软件相继问世,其中, ANSOFT公司的Maxwell是非常优秀的电磁分析软件[4]。采用电磁场有限元专业软件ANSOFT进行电磁场的模拟计算,具体实现过程如图2。