耦合分析 — 电磁-结构耦合 — 文章目录
电磁-结构耦合是求解电磁力使结构变形、变形又改变磁场和电场分布这种双向相互作用的领域。在间隙变化几微米就会使静电力、磁力大幅改变的MEMS器件或磁悬浮轴承中，单向分析在原理上就得不出答案。由静电引力随位移的平方反比增大而引起的吸合（pull-in）不稳定等，正是耦合才有的非线性现象决定了设计极限。
《MEMS静电执行器分析》讲解吸合电压的理论与用FEM追踪的方法，《磁悬浮轴承分析》讲解具有负刚度的磁吸引系统的力-位移特性，以及如何把它交给控制系统设计（刚度与阻尼的等效线性化）。两者在实务中的焦点都是“如何把电磁分析得到的力传给结构和控制”。
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- 电活性高分子（EAP）分析
把柔软高分子膜夹在电极之间加电压，电极相互吸引的力（麦克斯韦应力）使膜变薄、在面内扩展。厚50 μm的丙烯酸膜（相对介电常数4.7、杨氏模量1 MPa）压缩10%约需2.2 kV，硅橡胶需2.9 kV。膜越薄电场越强， - 电磁成形分析
电磁成形把电容储存的电能一下子通入线圈，靠与金属工件感应电流之间的排斥力成形。200 μF、10 kV（10 kJ）经2 μH回路放电，频率8 kHz，峰值电流100 kA，单匝线圈（长20 mm）磁场6.3 T， - 电磁超声换能器 (EMAT) 分析
从洛伦兹力、趋肤深度与波长之比以及线圈与试件间隙（提离）造成的灵敏度下降，讲解无需接触即可收发超声的电磁超声换能器（EMAT）。计算表明周期6 mm的线圈在间隙1 mm时收发合计下降约18 dB， - 洛伦兹力耦合分析 — 电磁力与结构变形的耦合方法
洛伦兹力耦合分析的电磁力与结构变形耦合方法。数值计算、实务应用、软件比较说明。电磁结构耦合、流体磁气力学对应。 - 磁悬浮轴承分析
用相对的两个电磁铁（匝数200、磁极400 mm²、气隙0.5 mm、偏置电流2 A）计算了主动磁悬浮轴承的一个轴。每安培电流的力为161 N，气隙越小越吸引的负刚度为0.64 N/μm。 - 磁致伸缩分析
磁性体磁化时伸缩的磁致伸缩大小因材料差别很大。长100 mm的棒，铁约伸长1 μm，镍3.3 μm，Galfenol 25 μm，Terfenol-D饱和时160 μm。 - MEMS 静电执行器分析
从电极间静电力与弹簧力的平衡讲解MEMS静电执行器。100 μm见方、间隙2 μm的平行板在弹簧刚度5 N/m时吸合电压约11.6 V，间隙的1/3以上无法稳定移动；间隙误差10%使吸合电压偏差约15%；并比较梳齿驱动。 - MHD流动分析
导电液体横穿磁场流动时，感应电流与磁场产生的洛伦兹力对流动起制动作用。用平行平板间哈特曼流的精确解计算，哈特曼数100时流速分布在半宽97%的范围内变平，流过同样流量所需压力约为34倍。 - 压电分析
用PZT-5H的压电常数，把厚0.1 mm的层叠100层做成5 mm见方的叠堆执行器，加150 V时自由位移为8.9 μm，阻挡力约1,070 N。对象是同样刚度的弹簧时位移减半为4.4 μm。 - 轨道炮电磁模拟
把轨道炮作为电磁-结构耦合问题讲解。由电感梯度得到推力 F = ½L′I²；即使理想恒流，也有一半能量留在导轨间的磁场中；导轨被很大的力撑开；并总结如何分析高速滑动接触、趋肤效应和发热。