电磁传感器磁流场仿真研究*

（中国船舶重工集团公司第七〇七研究所九江分部 九江 332007）

1 引言

电磁计程仪是一种依据法拉第电磁感应定律的对水测速设备[1]，是船舶主要导航仪器之一。与其他测速仪表相比较，电磁计程仪不受被测流体密度、粘度等参数的影响[2～4]，可测二维速度；具有测量过程流体无压力损失，响应速度快，精度高等突出优点，广泛应用于各类型舰船及潜艇[5～7]。电磁传感器作为电磁计程仪的核心组成部分，其周围的磁流场分布对其测速精度、灵敏度等性能指标具有重要影响[8]，本文探索了一种基于Maxwell及Fluent软件的磁流场耦合仿真计算方法，对传感器的设计、故障分析等具有重要指导意义。

2 磁场计算

采用Maxwell软件对传感器磁场进行仿真，求出其磁场分布情况。磁场分析模块为Transien（瞬态磁场）模块，传感器内线圈匝数为825匝，电阻7.5Ω；外线圈为110匝，电阻2.5Ω；通电电流均为0.75A、32Hz的交流电流。

为简化计算，铁芯所选材料的磁化角度选为0°，这样激励电流与交变磁场同相位；另外，产生的磁场为交变磁场，该磁场产生的电场与海水切割磁感线产生的电场正交，通常情况下需减小甚至消除该正交电场，在利用Maxwell仿真时导出1/4周期时间处的磁场，此时的正交电场值最小，可忽略不计。

由仿真结果图1、图2可知，磁场主要集中在铁芯周围，磁感应强度在铁芯内部有最大值，沿径向向外磁场逐渐减小。传感器周围磁场由于铁芯的导向及屏蔽作用，使得其磁场仅在下半部分有较强分布，且分布均衡对称。电极所在位置的磁场Z向分量，仿真结果为9.5mT，与实际测量值10mT比较接近。

图1 磁感应强度分布云图

图2 磁感应强度矢量图

3 磁流场耦合计算

在进行流体仿真计算时，选择合适的流域能够有效的减小网格数量、缩短计算时间[9]，这里选择流域为2000mm×2000mm×3000mm长方体，其中传感器距离入口处400mm处。绘制网格时，传感器周围流动较为复杂，需进行局部网格加密，其他地方网格可以相对稀疏，网格总数约20W，均为标准六面体网格，该类型网格计算速度快，需要内存少[10～12]，网格图如 3所示。

图3 网格划分

入口设置为压力入口，压力为101325Pa，即计程仪距离海平面1m深压力，入口速度为8m/s；出口为压力出口，计程仪连接面设置为标准静壁面，壁面函数为标准壁面函数。

在流场计算稳定后，将Maxwell软件计算好的磁场导入Fluent中，利用Fluent自带的MHD模块进行磁流场耦合分析，仿真结果见图4、图5。从压力云图中可知，传感器迎水面压力最高，背水面及底部压力较低，符合流体动力压力分布。从速度云图可知，传感器前端面存在速度驻点，后方由于扰流现象导致速度较低，底部由于导流罩的导流作用，该处速度较高。速度云图与压力云图结果相符。

图4 压力云图

图5 速度云图

传感器电极位于传感器底部，水流流动时切割磁感线产生电场，从电场分布图6中可以看出，电动势分布沿中轴面呈对称分布，并在电极电附近分别达到最大值及最小值。航速8m/s情况下，传感器电极电动势差为2.069mV，与实际所测1.9mV较为接近。

图6 传感器表面电动势分布

图7中正负电极点连线中点为坐标原点，电动势分别在坐标为11.68mm及-11.68mm处达到最大值，实际电极点安装位置距离原点为12mm，处于最大电动势位置。针对实物的仿真结果中电极电动势值、电极点安装位置均与实物较为接近，证明该方法基本可行，可指导传感器的设计及优化。

图7 电动势随电极点径向位置变化图

4 优化设计

采用上述方法对传感器进行优化设计，保持传感器其他参数不变，仅改变其相对磁导率，分析不同材料对其的影响。感应电动势与铁心磁导率关系图如图8所示。

图8 电动势随相对磁导率变化图

当相对磁导率从50增加到1000过程中，电动势增加了1.008mV，在相对磁导率从1000增加到4000过程中，电动势仅仅增加了0.077mV，电动势增幅随着磁导率的增加而降低。

另外在相对磁导率为50时，当电流从0.75A增加到1A过程中，电动势从2.069mV增加到2.761mV，即电流增加了33.33%，电动势增加了33.44%，由此可以看出，电动势与电流成线性相关，在磁饱和前，增加通电电流能够明显提升传感器灵敏度。

5 结语

本文针对电磁传感器进行了磁流场分析，通过得出其周围流体速度、压力分布等云图，并通过磁流场耦合计算，得出电极附近电场分布，仿真结果与实物测试结果较为接近，证明了该仿真方法可行。通过该方法分析了不同材料相对磁导率以及电流对传感器性能的影响，结果表明在磁饱和前，电动势与电流、相对磁导率均成线性相关，磁饱和后，继续提电流、相对磁导率值对电动势灵敏度提升无明显效果。