用基于等参单元的双标量位法来计算三维静磁场

本文采用基于等参单元的双标量位法计算三维静磁场,推导了六面体等参单元的离散格式,用此方法计算了回旋加速器的三维静磁场和变压器的三维恒定漏磁场,所得结果可供工程参考.     

基于六面体单元表面磁场积分法求解三维静磁场

三维静磁场计算分析在工程中具有广阔的应用背景.在磁场积分法求解三维静磁问题中,根据均匀磁化体磁化特征将系数矩阵体积分计算形式化简为面积分计算形式,简化了运算且消除了系数矩阵积分计算的奇异性.为适应任意复杂形体剖分,选择非规则六面体作为剖分单元,导出了其单元耦合系数的解析求解方法,从而消除了传统计算中采用数值积分近似计算带来的误差.基于上述两者分析,建立了基于六面体单元表面积分的三维静磁场计算模型.为验证该方法的正确性和有效性,将其应用于地磁场磁化下球壳和空心圆柱体的空间磁特征分析实例中.计算值和实际值的一致表明该方法完全可应用于工程实际的三维静磁场分析,有一定的工程实用价值.     

用双标量位法计算含永磁体的三维静磁场

本文在双标量位思想的基础上,建立了用双标量位求解含永磁体的三维静磁场数学模型和离散求解方法。通过对两种模拟永磁体磁效应时场的数学模型的比较,认为等效磁荷模拟永磁体磁效应更适合用双标量位计算含永磁体的三维静磁场。文中用有限元法、加权余量法和伽辽金准则对数学模型进行了离散化处理。并以两台容量不同的稀土永磁同步发电机为例,计算了其三维静磁场。由此得到的气隙基波磁通和漏磁系数与试验求得值均相吻合。     

基于磁偶极子模型的材料缺陷漏磁检测正演问题的单元积分计算方法

在基于磁偶极子解析模型的漏磁检测正演问题中,已有文献关于磁荷在缺陷壁上均匀分布的假设不成立。磁化后的缺陷材料相当于磁媒质,考虑到材料的非线性,磁荷在整个缺陷材料内及缺陷壁上非均匀分布。所以,该文从磁化后整个缺陷材料区域中磁化强度的分布出发,将单位体积内的磁偶极矩的矢量和等效为一个磁偶极矩,并作为磁场源点。从磁偶极子模型出发,推导出任意单元的磁媒质在场点处产生的磁场的积分公式,将整个缺陷材料的积分问题转换为对若干单元进行积分后的叠加。对于任一单元的积分问题,采用数值积分方法求解,并将该方法扩展到整个源区单元,最终整理得到任一场点处磁场的计算方程。通过COMSOL多物理场仿真软件搭建缺陷材料的漏磁场仿真模型,将仿真结果与计算结果进行对比分析,验证该方法的有效性。     

磁性介质的等效模型及磁化强度的计算

在求解域内存在磁性介质的静磁场问题时,将磁性介质视为二次场源是方便的。从静磁场基本问题出发可以导出作为二次场源的磁性介质的两种等效模型,即束缚电流模型和等效磁荷模型。并分别给出了由这两种模型导出的求解磁性介质内部磁化强度分布的积分方程。最后还给出了由等效磁荷模型导出的积分方程数值求解的数学模型。     

用边界单元法计算永磁体磁场

本文先从永磁体的磁场方程出发,推导出了与它等价的直接边界积分方程和间接边界积分方程,并以二维场为例对边界积分方程进行了离散求解,最后以一直径向充磁的稀土永磁电机的气隙磁场为例用边界单元法进行了计算.     

基于A-λ混合单元法的静磁场数值求解

提出采用混合单元法解决静磁场有限元计算中的伪解问题。针对静磁场磁矢势方程,基于约束变分原理,引入Lagrange标量乘子施加Coulomb规范,得到A-λ混合列式,并进一步地识别出Lagrange乘子的梯度为激励电流的不协调部分。基于Newton-Raphson法,对材料非线性问题建立相应的迭代解法。混合单元中的磁矢势A采用棱边元离散,Lagrange乘子λ采用节点元离散。对混合单元法离散得到的鞍点问题,可以通过增广Lagrange乘子技术,将其转换为一个等价问题,并采用Uzawa法进行迭代求解。与传统的节点元和棱边元相比,混合单元可以有效地消除伪解,获得较高的数值精度。     

电磁场边界单元法的应用

本刊上一期介绍了电磁场边界单元法的基本理论,本文将要把边界单元法的基本原理用于恒定磁场的计算,以标量磁位的拉普拉斯方程为例,详细地阐述边界单元法的具体实现,包括把边界积分方程插值离散为矩阵形式、矩阵元素的确定、磁位及通量的求解     

1000kV立柱式氧化锌避雷器三维电位分布计算及均压环设计

基于区域分裂思想，采用虚拟半球面耦合边界将三维上半空间无界域划分成耦合面内子区域与耦合面外无界子区域。其中，对耦合面内子区域采用传统有限元法离散；而将耦合面外无界子区域当作一个大单元，采用满足拉氏方程的本征解作为该大单元的插值函数，这样从根本上解决了有限元法难以离散无界场域的问题, 从而形成了求解三维上半空间无界域静电场问题的一种新方法：有限元-解析结合解法。采用该方法对1000kV立柱式氧化锌避雷器三维电位分布进行了数值计算，讨论了影响电阻片电压承担率的多种因素。最后，给出了一种较为理想的均压环结构并得到了试验验证。     

新型等效源法求解二维非线性静磁场

提出用新型等效源法求解非线性静磁场问题。把二维静磁场方程等效为泊松方程,从而使变μ值的非线性的问题等效成为可变内部磁荷密度分布函数的非线性问题。然后利用新型等效源法迭代求解这一非线性方程,该文中详细给出了这一过程的实施方法和计算公式。由于新型等效源法产生的场量分布可用级数形式表示,因此在求解非线性方程组的迭代过程中只需对磁导率μ进行曲面拟合,与边界元法相比,这将节省内存、减少CPU时间、提高计算效率。最后用实验验证了所提出方法的正确性和有效性,并与边界元法的计算结果进行了比较。     

切向磁钢混合励磁同步电机空载磁路计算及三维场分析

提出一种新结构切向磁钢混合励磁同步电机,分析其结构特点和运行原理。结合该新型电机径/轴向磁路特点,建立了空载等效磁路模型。通过求解非线性磁路方程,计算得到不同励磁磁势下径向与轴向磁路的磁通分布、主气隙磁密、空载感应电势。利用三维有限元法,研究了轴向磁路对径向磁路的影响,从而明晰主气隙磁场随励磁磁势的变化关系,与磁路法计算结果和理论分析是一致的,表明电机气隙磁密高、气隙磁场可调。所建立空载磁路模型及三维有限元分析方法为该新型电机的优化设计、性能分析以及负载特性进一步研究奠定了基础。     

表贴式分数槽电机永磁气隙磁场矢量位半解析法

采用矢量位半解析法分析了分数槽电机的永磁气隙磁场和定位转矩。永磁体和气隙区域用解析法求解,槽形区域用差分法计算。两区域共有部分的磁场计算结果作为另一个场域的边界条件。真实反映气隙磁场的切向和径向磁密,由此可准确计算定子开槽后的定位转矩。实例计算与有限元计算较好地吻合,从而验证了该方法的正确性。     

三维静磁场数值计算——等效磁化区法及其在永磁电机参数计算中的应用

本文对计算三维静磁场的等效磁化区法作了研究,从理论上证明了用等效磁化区方法计算三维静磁场的正确性,并提出了构成等效磁化区的一般方法。按照等效磁化区法的数学模型,本文对用有限元方法求解非线性三维静磁场问题的途径作了推导。应用所编的FORTRAN程序,本文计算了飞轮式永磁发电机的空载和负载三维静磁场,并对电机的端部磁场作了测量,结果表明,计算值与实测值基本一致。运用三维静磁场数值分析方法,本文计算了电机的磁通和电抗等有关参数,这对电机的正确设计具有一定的实际意义。     

考虑定子外壳漏磁的同极式永磁偏置径向磁轴承磁路模型

同极式永磁偏置径向磁轴承的永磁偏置磁场在定子外壳内形成较大漏磁,而且外壳的有效面积相对工作气隙较大,即使在铁心与外壳间加入隔磁层的情况下,漏磁仍不可忽略,必须进行准确计算。首先直接求解拉普拉斯方程获得隔磁层内的磁场分布,并结合保角变换计算漏磁区域的端部效应,然后求解工作气隙的永磁偏置磁场和电励磁控制磁场,最后建立完整磁路模型和电磁力解析模型。三维有限元仿真结果表明,所建立的磁路模型能准确计算磁轴承工作范围的电磁参数。依据飞轮储能系统的总体需求,设计了径向磁轴承系统,实验结果验证了所建立解析模型和有限元模型的准确性。     

PMSM扩展状态滑模观测器及转子位置和速度估算

针对永磁同步电机(PMSM)反电势滑模观测器抖振问题,提出一种基于电流和磁链为变量的 PMSM扩展状态方程的自适应滑模观测器.以实际电流与观测电流之差构成滑模面,当滑模运动发生时,电流观测误差为零,等效控制信号包含磁链误差相关信息.通过反馈矩阵将等效信号输入到磁链观测方程中,磁链观测误差渐进收敛到零.在磁链观测结果中,抖振现象被很好的抑制,转子角度可以由磁链直接计算.分析了速度估计误差对磁链观测影响,并以此为基础进行反馈矩阵的计算.建立了速度自适应率,并采用Lyapunov方法证明了算法的收敛性.仿真和实验结果表明,通过该观测器和速度辨识方法能够准确计算出电机角度和速度,具有良好的稳态精确度和动态性能.     

高速电机磁力轴承-转子系统临界转速的计算

在建立高速电机磁力轴承－转子系统的动力学方程基础上，利用有限元法计算了高速电机转子的临界转速。首先分析了磁力轴承支承刚度及其与系统结构参数以及气隙静态偏置磁通密度的关系，然后基于磁场分析证明磁力轴承对转子的支承是各向同性的，计算了电磁轴承的线性支撑刚度。在此基础上，建立了磁力轴承－转子系统的动力学方程，用有限元法计算了高速电机转子的临界转速。利用该计算方法，设计研制的1台采用磁力轴承的高速电机已成功实现60 000 r/min的运行。     

高密度AFIR盘式车轮永磁电机设计

尺寸方程直接评估电机性能的优点是迅速简便的,其准确度主要取决于气隙磁密Bg的估计值.要提供准确的AFIR(axial flux inner rotor)永磁电机气隙磁密Bg,需采用三维有限元法.但三维有限元法计算量大,时间长.本文采用集中参数磁网络模型为尺寸方程提供了AFIR盘式永磁电机的气隙磁密,运用尺寸方程与集中参数磁网络模型相结合的方法对AFIR盘式车轮永磁电机进行了设计,设计结果与有限元计算以及实验测试结果相近,证明了该方法的有效性.     

移动式直流应急无线充电模块的磁芯优化设计研究

采用无线电能传输是开展移动式直流应急保障的有效途径。提出了一种适用于移动式直流应急无线充电模块的铁氧体磁芯设计和优化方法,可进一步提高发射器与接收器之间的未对准误差容限、降低磁芯损耗。当无线充电模块发射器与接收器之间存在未对准误差时,磁通密度不再均匀,磁芯损耗也随之增加。因而,应通过磁芯优化设计使得磁芯各处磁通均匀分布以及损耗降低。经综合考虑,提出了一种分段线性圆形和附加条形磁芯的优化结构,并提出基于有限元连续非线性规划优化算法,可使得磁通密度分布均匀和降低损耗。经仿真验证,与原始磁芯结构相比,优化后的圆形磁芯结构可降低单位体积磁芯损耗,另加附加条形磁芯优化后可使单位体积磁芯损耗降低39%,并且优化后的磁芯,单位损耗的磁芯体积可减少17. 5%。     

磁通集聚器放大磁场分布及矢量选择特性研究

主要针对T型磁通集聚器结构间隙内轴向放大磁场分布特性以及放大磁场矢量,选择性利用三维有限元静磁特性仿真分析及实验验证的方法进行了一系列的分析研究。结果表明,间隙内放大磁场分布均匀区与结构间隙区域具有相似的截面形状,该均匀区的大小与间隙截面积成正比并与间隙距离成反比。另外,通过仿真和实验验证了集聚器能够放大轴向环境磁场强度,缩小横向磁场强度,具有矢量选择特性。该结论为矢量磁传感器增大灵敏度提供了一定的应用基础。