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质量的单位千克是国际单位制中7个基本单位之一,却是现在唯一仍在使用的实物基准。现代计量的发展方向是用基于量子物理的自然基准替代实物基准,当前有关更新国际单位制中质量单位定义的几种设想都是把质量单位归结到基本物理常数上,特别是定义在普朗克常数h上。本论文通过深入分析研究量子质量基准的热点方案——功率天平,结合最近受到普遍重视的焦耳天平方案,提出了一种全新的空间尺寸配比的轴对称激励线圈组结构。理论分析和实验验证均表明,这种新型轴对称线圈系统提供的磁场均匀区满足结构参数互感量M的准确测量要求。本论文作为焦耳天平方案磁场系统的开创性工作,紧紧围绕准确测量互感结构参数的要求,在以下方面进行了卓有成效的工作:1.提出了一种新的空间尺寸配比的轴对称激励线圈组结构,利用解析方法和数值计算证明只要内部激励线圈和外部激励线圈的间距R与激励线圈与悬挂线圈的距离H满足R2=4/3 H2,内部激励线圈、外部激励线圈、悬挂线圈匝数比满足10000:2700:430时,在焦耳天平磁场对称平面附近会形成轴向长度为2cm的环形磁场均匀区,在该均匀区线圈系统互感参数具有四阶均匀性。2.利用解析方法计算了焦耳天平轴对称激励线圈系统的静磁场参数,对焦耳天平磁场均匀区的磁场强度,互感结构参数,悬挂线圈洛仑兹力情况均进行了分析计算。3.利用有限元软件ANSYS对焦耳天平的磁场系统进行仿真计算,模拟焦耳天平激励线圈组磁场的空间分布,验证磁场均匀区的范围和大小。根据轴对称线圈组矢量磁位A的特点,利用LabVIEW语言编写了六套计算不同静磁场参数的计算程序。通过数值积分计算椭圆函数,可以快速准确计算不同轴对称线圈组合其空间磁感应强度、磁场梯度、互感参数,互感梯度参数,共轴与不共轴轴对称线圈组作用力等静磁场参数,计算程序具有普适性。4.实际构建了焦耳天平磁场系统,包括激励线圈组和悬挂线圈,通过仔细装配准直,构成焦耳天平共轴激励线圈系统。利用自制空间磁场分布测量系统,测量焦耳天平的空间磁场分布。测量结果验证了焦耳天平磁场均匀区的存在,和理论计算得到的磁场分布相吻合,最大偏差小于4‰。