CN109239789B - 直升机时间域航空探测应用的电磁线圈 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，该电磁线圈包括金属导电直管、金属导电弯管以及套管，金属导电直管与金属导电弯管通过套管依次间隔连接，形成封闭式线圈，金属导电直管与金属导电弯管均包括内嵌芯和外套管，内嵌芯嵌在外套管内，内嵌芯均为碳纤维复合材质，外套管均为铝合金材质。本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈采用碳纤维复合材质内嵌芯和铝合金材质外套管制作的金属导电直管与金属导电弯管，并通过套管固定连接成封闭式线圈，碳纤维复合材质和铝合金材质的采用，使得电磁线圈在确保发射电流不变的前提下，满足了不断加大电磁发射线圈的发射磁矩的同时又不增大电磁线圈重量的要求。

Description

直升机时间域航空探测应用的电磁线圈

技术领域

本发明实施例涉及航空电磁勘探技术领域，尤其涉及一种直升机时间域航空探测应用的电磁线圈。

背景技术

当前，随着我国经济的快速发展，人们对于矿产资源的需要不断增加。国内地形条件相对优越的地区，矿产资源的勘探已经基本完成。然而，占到我国国土面积65％以上的中西部地区，虽然其矿产资源丰富，但由于其地形条件极其恶劣，使得工作人员无法在地面进行矿产资源的勘探工作，导致其蕴含的丰富矿产资源无法得到有效开采。为了解决此问题，人们对矿产资源勘探方法的研究逐渐转向航空电磁勘探法。

而利用航空电磁勘探法对地面进行矿产资源的勘探工作时，需要通过飞行平台搭载产生瞬变电磁场的航空电磁发射装置，离地面一定高度进行飞行作业。航空电磁发射装置通过电磁线圈向空中及地下发射半正弦磁场，即一次磁场，当深层地下存在良导体时，激发其产生感应电流，感应电流将会产生感应磁场，即二次磁场。在半正弦电流产生期间，接收装置接收来自空中的一次磁场及地下良导体产生的二次磁场，并通过分析接收装置接收的磁场数据，可以得到地下良导体的特性参数(介电常数、电导率和磁导率等)及其状态特性分布情况。

目前，国内外用于航空电磁勘探的电磁线圈都采用铜材制作，导致线圈本身发软、硬度较差、必须配有托架对线圈自身进行支撑。由于铜材本身具有密度大、质量重的特点，再加上托架重量，极大地加重了整个电磁发射装置的重量，过重的电磁线圈使飞行平台的载重量已经接近了额定值，降低了整个电磁勘探系统的效率，无法满足随着矿产资源勘探深度的不断增加，需要加大航空电磁发射线圈发射磁矩的要求。

发明内容

针对背景技术中现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供了一种直升机时间域航空探测应用的电磁线圈。

本发明实施例提供的一种直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，该电磁线圈包括：

金属导电直管、金属导电弯管以及套管，其中所述金属导电直管与所述金属导电弯管通过所述套管依次间隔连接，形成封闭式线圈，其中：

所述金属导电直管与所述金属导电弯管均包括内嵌芯和外套管，所述内嵌芯嵌在所述外套管内，所述内嵌芯均为碳纤维复合材质，所述外套管均为铝合金材质。

本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈采用碳纤维复合材质内嵌芯和铝合金材质外套管组合制作的金属导电直管与所述金属导电弯管，并通过套管固定连接成封闭式线圈，碳纤维复合材质和铝合金材质的采用，使得该电磁线圈在确保发射电流不变的前提下，增强硬度的同时，减轻了重量，满足了不断加大该电磁发射线圈的发射磁矩的同时又不增大该电磁线圈重量的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈结构示意图；

图2为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中金属导电直管的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的套管结构示意图；

图4为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈的第一分套管结构示意图；

图5为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电直管的螺纹结构示意图；

图6为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电弯管的螺纹结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当前，随着我国经济的快速发展，人们对于矿产资源的需要不断增加。国内地形条件相对优越的地区，矿产资源的勘探已经基本完成。然而，占到我国国土面积65％以上的中西部地区，虽然其矿产资源丰富，但由于其地形条件极其恶劣，使得工作人员无法在地面进行矿产资源的勘探工作，导致其蕴含的丰富矿产资源无法得到有效开采。为了解决此问题，人们对矿产资源勘探方法的研究逐渐转向航空电磁勘探法。然而在使用航空电磁勘探法对矿产资源勘探进行勘探时，起到向地面发射磁矩作用的电磁线圈需要搭载在飞行平台上，由于飞行平台载重的限制，需要对航空电磁发射装置的重量有限制要求。

目前，国内外用于航空电磁勘探的电磁线圈都采用铜材制作，导致线圈本身发软、硬度较差、必须配有托架对线圈自身进行支撑。由于铜材本身具有密度大、质量重的特点，再加上托架重量，极大地加重了整个电磁发射装置的重量，过重的电磁线圈使飞行平台的载重量已经接近了额定值，降低了整个电磁勘探系统的效率，无法满足矿产资源勘探深度的不断增加的使用需求。

为了满足随着矿产资源勘探深度的不断增加，需要不断加大航空电磁发射线圈的发射磁矩，同时受限于飞行平台的载重量，电磁线圈的重量又不能无限增大的要求。本发明实施例提供了一种直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，在确保发射电流不变的前提下，减小电磁线圈的重量，提高电磁线圈所围成的面积，增大发射磁矩，同时使飞行平台的输出功率得到充分利用，提高电磁发射装置的效率。图1为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈结构示意图，如图1所示，该电磁线圈1包括：

金属导电直管11、金属导电弯管12以及套管13，其中金属导电直管11与金属导电弯管12通过套管13依次间隔连接，形成封闭式线圈，其中：

金属导电直管11与金属导电弯管12均包括内嵌芯和外套管，内嵌芯嵌在外套管内，内嵌芯均为碳纤维复合材质，外套管均为铝合金材质。

具体地，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈包括通过外套管13依次间隔连接在一起的金属导电直管11和金属导电弯管12，其中，金属导电直管11和金属导电弯管12的内嵌芯均为碳纤维复合材质，金属导电直管11和金属导电弯管12的外套管均为铝合金材质，碳纤维复合材质的采用，很大程度上增强了该电磁线圈本身的支撑力，铝合金材质的采用则很大程度上减轻了该电磁线圈的重量，从而使得在确保发射电流不变的前提下，减小了电磁线圈的重量，以此提高了电磁线圈所围成的面积，增大了发射磁矩，且该电磁线圈抗机械强度高，使电磁线圈受力平衡。其中，金属导电直管的结构以图2为例进行介绍，图2为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中金属导电直管的剖面结构示意图，如图2所示，该金属导电直管11包括内嵌芯111和外套管112，内嵌芯111嵌在外套管112内。且金属导电弯管的剖面结构与金属导电直管11相同。

本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈采用碳纤维复合材质内嵌芯和铝合金材质外套管组合制作的金属导电直管与金属导电弯管，并通过套管固定连接成封闭式线圈，碳纤维复合材质和铝合金材质的采用，使得电磁线圈在确保发射电流不变的前提下，增强硬度的同时，减轻了重量，满足了不断加大航空电磁发射线圈的发射磁矩的同时又不增大电磁线圈重量的要求。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的套管包括第一分套管、第二分套管和套管连接线，第一分套管与第二分套管通过套管连接线相连接。图3为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的套管结构示意图，如图3所示，该套管13包括第一分套管131、第二分套管132和套管连接线133，第一分套管131与第二分套管132通过套管连接线133相连接，其中，套管连接线133为软连接导线即该套管连接线133具有柔性和导电属性。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的第一分套管包括套管第一端和套管第二端，第二分套管包括套管第三端和套管第四端，其中：

套管第一端与套管第三端均设置有用于固定金属导电直管或金属导电弯管的内螺纹，套管第二端与套管第四端通过套管连接线相连接。图4为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈的第一分套管结构示意图，如图4所示，该第一分套管包括两个套管端，第一分套管包括套管第一端和套管第二端，套管第一端设置有用于固定金属导电直管或金属导电弯管的内螺纹1311，使得第一分套管既可以固定连接金属导电直管也可以固定连接金属导电弯管，同理，第二分套管包括套管第三端和套管第四端，其中，套管第三端设置有用于固定金属导电直管或金属导电弯管的内螺纹，使得第二分套管通过套管第三端，既可以固定连接金属导电直管也可以固定连接金属导电弯管；套管第二端与套管第四端通过套管连接线相连接，即第一分套管和第二分套管通过套管第二端、套管第四端以及套管连接线，固定连接在一起。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电直管包括直管第一端和直管第二端，其中：

直管第一端和直管第二端均设置有用于与套管固定连接的外螺纹，金属导电直管通过外螺纹和内螺纹与套管第一端或套管第三端固定连接。图5为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电直管的螺纹结构示意图，如图5所示，该金属导电直管的两个连接端均设置有用于和套管第一端或套管第三端设置的内螺纹相连接的外螺纹113，并通过上述内螺纹和外螺纹113进行固定连接，其中，A指示螺纹放大示意的位置。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电弯管包括弯管第一端和弯管第二端，其中：

弯管第一端和弯管第二端均设置有用于与套管固定连接的外螺纹，金属导电弯管通过外螺纹和内螺纹与套管第一端或套管第三端固定连接。图6为本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电弯管的螺纹结构示意图，如图6所示，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电弯管12的两个连接端均设置有用于和套管第一端或套管第三端设置的内螺纹相连接的外螺纹113，该外螺纹113与上述实施例中的外螺纹相同，并通过上述内螺纹和外螺纹进行固定连接，其中B指示螺纹放大示意的位置。即上述本发明各实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的内螺纹结构彼此相同，外螺纹结构彼此相同。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的套管第一端与套管第三端均设置有用于固定金属导电直管或金属导电弯管的限位孔。如图4所示，即本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的第一分套管的套管第一端设置有用于固定金属导电直管或金属导电弯管的限位孔1312，通过该限位孔1312可以使得金属导电直管或金属导电弯管进一步位置准确地固定在套管上，使得该直升机时间域航空探测应用的电磁线圈抗机械强度高，连接处不易松动，同理，第二分套管的套管第二端同样设置有用于固定金属导电直管或金属导电弯管的限位孔。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电直管与套管连接线导电连接。即本发明实施例提供的电磁线圈中的金属导电直管与套管固定连接的同时也与套管连接线导电连接。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的金属导电弯管与套管连接线导电连接。即本发明实施例提供的电磁线圈中的金属导电弯管与套管固定连接的同时也与套管连接线导电连接，从而实现金属导电弯管和金属导电直管通过套管固定连接时，可以通过套管连接线进行导电连接，从而实现封闭式线圈的线圈导电，使得该直升机时间域航空探测应用的电磁线圈抗机械强度高，连接处不易松动，导电性好，软连接处活动范围大，使电磁线圈受力平衡。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈中的封闭式线圈为正十二边形封闭式线圈。即本发明实施例提供的电磁线圈通过金属导电直管和金属导电弯管相固定连接，可以形成正十二边形封闭式线圈，使得该直升机时间域航空探测应用的电磁线圈抗机械强度高，连接处不易松动，导电性好，软连接处活动范围大，使电磁线圈受力平衡。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，还包括：

限位钉，限位钉插入限位孔内，用于固定金属导电直管或金属导电弯管。即本发明实施例提供的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈还包括限位钉，如图3所示，通过该限位钉134与上述限位孔相配合，进一步实现对金属导电直管或金属导电弯管于套管的固定连接。

相对于现有直升机时间域航空探测应用的电磁线圈装置的弊端，本发明实施例提出的无托架、轻材质、高硬度的电磁线圈，不仅自身起到传导电流的作用，而且具有支撑自身的作用，在确保相同的评价指标下，极大地减轻了电磁线圈的重量，实现了电磁线圈的机电一体化结构。为了解决电磁线圈在起升、降落和运行过程中的受力不平衡问题，提出在金属导电管之间采用软连接部件，并给出了金属导电管之间的最佳连接方式。本发明已经成功应用在国内航空电磁勘探领域，对比国外采用的传统铜导电材质另加托架支撑的方案，在同等的性能指标下，电磁线圈的重量得到明显减轻，发射磁矩和电磁发射装备的效率得到提高。

电磁线圈的最优方案应该为圆环形，但是高硬度的金属导电材质其加工成圆环形的难度过大，所以本发明实施例采用正十二边形替代圆环形的方案。

具体实施方案：以轻材质、高硬度的铝合金为例，但不局限于铝合金材质。

步骤1、根据航空电磁勘探所需的线圈发射磁矩、发射电流，确定电磁线圈的匝数和面积，即公式(1)：

M＝NI_mA(1)；其中，M是电磁线圈的发射磁矩，N是电磁线圈的匝数，I_m是流经电磁线圈的电流峰值，A是电磁线圈所围成的面积。

步骤2、确定电磁线圈所围成的面积，由于本发明采用正十二边形为例，如图1所示。根据正十二边形的面积公式，即公式(2)：

其中，l是电磁线圈的边长。

步骤3、求得电磁线圈的总长度为L＝12l。

步骤4、根据电工理论基础，由电磁线圈两端的电压和流经的电流得到电磁线圈的阻抗R，采用阻抗定义公式，即公式(3)所示：

其中，ρ(x)是不同牌号的铝合金材质电阻率。

变换公式(3)，得到电磁线圈的截面积，即公式(4)：

其中，S是电磁线圈的截面积。

步骤5、求解电磁线圈的重量W，即公式(5)：

W＝ρ_z(x)SL(5)；其中，ρ_z(x)是不同牌号的铝合金材质密度。

步骤6、根据不同型号的铝合金材质查找相应的导电率，如表1所示。代入公式(4)，得到电磁线圈的截面积S。结合电磁线圈内孔所嵌入的碳纤维复合材料的外径，得到电磁线圈的铝合金材质外径，即公式(6)、(7)：

变换公式(6)，得到铝合金材质外径如下：

其中，r_max是电磁线圈铝合金外径，r_min是电磁线圈内嵌碳纤维复合材料外径。

步骤7、评估所选不同牌号铝合金材质的综合性能，假设评估系数为V＝σ*R_m/ρ；其中，V为评估系数，σ为电导率，R_m为抗拉强度，ρ为密度。

材质的评估系数越大，表明采用该材质制作的电磁线圈的性价比越高。也就是，在单位重量下，同时考虑导电性和抗拉强度，达到了最佳的设计效果。表1是根据实际的勘探要求指标，在不同牌号的铝合金材质下，得到各项的数据。

表1不同铝合金牌号下得到的各项数据

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，其特征在于，包括：

金属导电直管、金属导电弯管以及套管，其中所述金属导电直管与所述金属导电弯管通过所述套管依次间隔连接，形成封闭式线圈，其中：

所述金属导电直管与所述金属导电弯管均包括内嵌芯和外套管，所述内嵌芯嵌在所述外套管内，所述内嵌芯均为碳纤维复合材质，所述外套管均为铝合金材质；

所述套管包括第一分套管、第二分套管和套管连接线，所述第一分套管与所述第二分套管通过所述套管连接线相连接；

所述第一分套管包括套管第一端和套管第二端，所述第二分套管包括套管第三端和套管第四端，其中：

所述套管第一端与所述套管第三端均设置有用于固定所述金属导电直管或所述金属导电弯管的内螺纹，所述套管第二端与所述套管第四端通过所述套管连接线相连接；

所述金属导电直管与所述套管连接线导电连接，所述金属导电弯管与所述套管连接线导电连接。

2.根据权利要求1所述的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，其特征在于，所述金属导电直管包括直管第一端和直管第二端，其中：

所述直管第一端和所述直管第二端均设置有用于与所述套管固定连接的外螺纹，所述金属导电直管通过所述外螺纹和所述内螺纹与所述套管第一端或所述套管第三端固定连接。

3.根据权利要求1所述的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，其特征在于，所述金属导电弯管包括弯管第一端和弯管第二端，其中：

所述弯管第一端和所述弯管第二端均设置有用于与所述套管固定连接的外螺纹，所述金属导电弯管通过所述外螺纹和所述内螺纹与所述套管第一端或所述套管第三端固定连接。

4.根据权利要求1所述的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，其特征在于，所述套管第一端与所述套管第三端均设置有用于固定所述金属导电直管或所述金属导电弯管的限位孔。

5.根据权利要求1所述的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，其特征在于，所述封闭式线圈为正十二边形封闭式线圈。

6.根据权利要求4所述的直升机时间域航空探测应用的电磁线圈，其特征在于，还包括：

限位钉，所述限位钉插入所述限位孔内，用于固定所述金属导电直管或所述金属导电弯管。