电机电磁场有限元仿真网格生成方法研究

为了完善上海电器科学研究院电机工业互联网云平台的电机协同设计功能,开发了一款基于有限元法的二维电磁场仿真软件,实现了电机电磁场的仿真计算。在软件前处理的网格生成环节,采用了三角形网格剖分,通过对已有网格算法的总结和研究,提出了一种适用于电机电磁场仿真的二维网格生成方法,具有网格剖分适应性强和计算速度快的特点。介绍的电机电磁场计算的网格剖分方法,已应用于“电机协同设计电磁场有限元仿真软件EMFTest V1.0”的软件开发中,验证了网格生成方法的可行性。     

有限公式温度场计算技术及其在永磁电机分析中的应用

永磁电机的温升直接关系电机性能指标和经济指标,对电机温度场的准确计算是设计工作中的要点。该文从有限公式法的基本原理出发,研究任意多面体网格下温度场各类边界的有限公式实现方法,建立对流传热边界的高精度有限公式数学模型。针对具有解析精确解的二维基准散热问题,在同一套网格下分别应用原边界模型和高精度改进边界模型计算导热体温升分布,验证改进模型的可靠性和精确性。应用有限公式温度场计算技术,计算一台2.1k W非晶合金永磁电机的三维温度场。以电机温升实验测量值为基准,对比有限公式法、有限元法在同样网格剖分下的计算精度,验证了电机三维温度场有限公式计算技术的可靠性和计算结果的准确性,对非晶合金永磁电机热分析具有一定的参考意义。     

基于有限公式法的水冷永磁同步电机三维温度场分析

有限公式法是一种直接从物理规律出发、借助定义在两嵌套网格几何元素上的全局变量构造离散方程的新型数值计算方法。在建立有限公式法温度场数学模型的基础上,本文讨论了基于映射网格的对流散热边界处理及其编程实现,并给出了有限公式法温度场模块化编程的基本思路。最后,以对一台20k W水冷永磁同步电机三维温度场的分析,研究了冷却水流速、冷却水温与电机温升分布的规律;并以电机温升试验值、同一网格下的有限元法计算值验证了所编制程序计算的准确性、可靠性。     

有限元网格“连环法”计算机剖分

根据有限元网格各相邻单元之间相互依存的关系,提出了“连环法”网格剖分方法。该方法计算公式简单,计算工作量极小,能快速简便地对求解区域进行剖分并产生剖分数据。以二维电机电磁场为例,详述了该方法,并给出了剖分实例。     

有限公式法二维涡流场计算技术及其在电机集肤效应计算中的应用

有限公式法是基于全局量的电磁场数值计算方法,用代数方程取代微分和积分方程描述电磁场物理规律,具有物理意义明确,计算过程简单等优点。该文扼要介绍了有限公式的理论体系和应用现状,阐明了全局物理变量与原空间和映射空间元素的关系;采用基于正弦时变电磁场的复数模型,详细推导了有限公式法二维涡流电磁场的计算公式;并研究推导出了有限公式理论中二类齐次边界条件和非齐次条件的处理方法。结合电机工程中的具体实例,计算了鼠笼电机转子导条的集肤效应,通过与有限元计算结果的对比,验证了方法的正确性。该文的工作,丰富和完善了有限公式理论在涡流场方面的计算技术为在其他工程问题上的进一步应用打下了基础。     

有限元网格“连环法”计算机剖分

根据有限元网格各相邻单元之间相互依存的关系，提出了“连环法”网格剖分方法。该方法计算公式简单，计算工作量极小，能快简便对求解区域进行剖分并产生剖分数据。以二维电机电磁场为例，详述了该方法，并给出了剖分实例。     

有限公式电磁场数值计算理论与性能

为了探讨有限公式电磁场数值计算方法的理论框架,研究工程应用中性能指标的准确性和计算效率,围绕有限公式方法使用全局物理变量和与电磁学实验定律直接相联系的特点,论证了有限公式方法的创新性思维.在系统地阐述有限公式方法理论体系的基础上,结合高频场的计算公式,说明了有限公式方法的计算思路,并通过与现有电磁场数值计算方法相对比,分析了有限公式方法的特性与优势.结合散射问题中的高频场与电机内的静态场实例,验证了有限公式方法的主要技术指标.该方法的计算精确度、计算效率则明显优于现有的电磁场数值计算方法,对该方法的深入研究,必将推动电磁场数值计算理论的进一步发展.     

基于时域有限积分技术的四级串联快脉冲直线型变压器驱动源电磁特性

快脉冲直线型变压器驱动源（FLTD）感应腔内部结构和媒质分布复杂,支路放电时快速上升沿脉冲将使空间离散更为繁密,导致计算量剧增。该文利用时域有限积分理论首次研究4级串联共用、独立腔体结构MA级FLTD在支路放电时的电磁场分布规律。使用场路耦合将电路中电容元件的放电电流作为激励耦合至三维场模型,使用非均匀网格对FLTD初级感应腔内的关键部件剖分网格进行加密处理,使用表面阻抗边界条件描述良导体以降低求解自由度数量,使用基于等效原理的区域分解算法将4级串联FLTD划分为24个不同的求解子区域。结果表明,时域有限积分技术可有效分析FLTD初级腔体内脉冲放电瞬态过程,两种感应腔结构的输出性能和电磁场分布基本一致,4级串联共用腔体结构FLTD设计方案可行。     

不同数值方法在自扇冷永磁同步电机三维热分析中的应用

为研究不同数值计算方法在电机三维温度场分析中的应用,以一台11kW、1 500r/min全封闭自扇冷异步起动永磁同步电机为例,分别基于有限元法、有限体积法和有限公式法进行温度场仿真,并在多套剖分网格仿真计算的基础上,对比分析同一网格下应用有限公式法和有限元法的永磁同步电机三维温度场计算结果。同时,分析有限公式法在不同网格数下的计算收敛性。最后,对比有限公式法、有限元法温度场计算结果与有限体积法流固耦合传热计算结果的区别,并以试验值对比验证了仿真计算的准确性。     

一种参数化网格剖分方法及其在电机优化设计中的应用

提出了一种适用于电机优化设计的参数化网格剖分方法。该方法将所有剖分节点坐标表示为一组几何参数的线性函数,当电机的几何尺寸变化时不需要网格重新剖分,能显著减少有限元(finite element method,FEM)预处理时间,并通过自适应网格剖分方法和交换对角线技术提高网格单元质量。对电机的参数化网格剖分模型进行FEM计算,利用表面响应法对FEM计算的结果进行处理,构建电机的优化模型,再利用粒子群优化算法寻求优化模型的最优解,得到电机的最优结构参数。将该方法应用于电机优化设计的两个实例,验证了其有效性。     

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。     

A method for wide frequency range modeling of power transformersand rotating machines

Wide frequency range representation of power system components such as power transformers, reactors and rotating machines is mainly needed for the analysis of electromagnetic transients in power systems. In this paper, a method is presented for state space formulation of machine windings. The described procedure is completely based on external terminal impedance measurements and data related to the internal structure is not required. First, the wide frequency behavior of machine windings is reviewed and the nonlinearity effects of the iron core are discussed. A numerical method is given for calculation of the state equation parameters directly from the measured terminal impedance characteristics. The presented modeling method is applicable to any transformer, reactor or rotating machine in service where sufficient information on the internal design is not available. Besides, the canonical structure of the model offers advantages in terms of computer memory and computation effort in time domain analyses of complex power systems     

An equivalent internal circuit of the induction machine for advanced spectral analysis

The aim of this paper is to develop a method to validate an equivalent internal circuit of the three-phase squirrel-cage induction machine for advanced signal processing including fault diagnosis. The proposed method is based on the computation of the stator and rotor current spectra. An experimental setup for an 11-kW induction machine was developed in order to get numerical data for voltages and currents from the stator side. The comparison between the analytical computation, the simulation, and the experimental results, shows the model capability to reproduce the electromagnetic phenomena in the induction machine with mixed time and space harmonics. The proposed model can be used to design electrical fault detection devices with low cost and noninvasive sensors.     

基于三维自适应有限元的阀厅全模型电场分布并行计算

大规模复杂模型电磁场数值仿真问题一直是计算电磁学中比较难处理的问题。本文采用三维自适应有限元并行求解算法处理此类问题,以某±660kV换流站阀厅全模型电场模拟为例,对阀厅内部关注区域金具表面电场进行仿真计算。并行计算结果与串行计算结果相吻合,验证了本文提出的并行求解算法的正确性和可行性。该并行求解算法,可以显著提高求解速度,实现对于大规模复杂电磁问题的高效数值模拟。     

基于电磁-热耦合场的架空输电线路载流量分析与计算

架空输电线路的允许载流量是保证其安全运行的重要参数之一。根据架空输电线路产热和散热的特点,建立了架空导线的磁场-温度场耦合二维有限元分析模型,确定电磁-热耦合场分析的边界条件,求解得到了架空输电导线内部电磁场分布。将得到的焦耳热损耗作为热源耦合至热场模型进行计算,并采用数值迭代法求解得到架空输电导线的允许载流量。此外,基于该仿真模型通过仿真分析得出了不同外部环境因素对架空输电线路载流量的影响规律。该研究成果可以为架空输电线路的热分析和载流量计算提供一定的参考。     

A combined method of simulation of an electric circuit and field problems in the theory of induction heating

A combined method for numerical computation of the electromagnetic field in induction-heating systems is proposed and used. The method consists in a combination of methods of integral equations for the computation of the electromagnetic field in the area outside the load and methods of finite elements or finite differences for the computation of the electromagnetic field inside the load. A method of simulation of electrotechnical systems with simultaneous solving of circuit and field problems is proposed based on this method. Using the example of induction-heating devices, an external problem associated with the computation of circuit inductors, power supplies, and balancing capacitors and an internal problem related to the computation of the electromagnetic field and internal heat sources inside the load are formulated. The simulation of induction heaters is considered taking into account features of thyristor frequency converters with a parallel inverter.     

中小型同步电机电磁参数的数值计算

本文对应用电机电磁场的数值计算方法计算同步电机的参数问题作了分析,给出了具体的算法,得出了电机直、交轴电枢反应时稳态、瞬态、超瞬态等不同情况下电机内的电磁场分布图。计算结果表明,应用常规的电机设计方法所得出的参数与应用数值计算法所得结果相比,交轴参数较一致,直轴参数有一定偏差。     

基于无单元伽辽金法的电机电磁场计算

无单元伽辽金法(element-free Galerkin method,EFGM)在电磁计算领域已经实现了初步应用。但是,面对结构复杂多介质场域问题时,介质间的交界条件需要额外处理以及建模过程繁琐等缺点,限制了该算法的发展。该文针对电机电磁场域的特点,提出在求解此类场域边值问题时,介质间交界条件近似满足,不必额外处理,并从理论上证明了论点在应用中具有可行性。相对于有限元法,文章分析了算法在复杂结构多介质电磁场应用中的优势,并将其引入到凸极同步电机空载磁场的计算中,结果验证了该文提出的观点是正确的。针对建模繁琐等问题,文章提出了可供参考的处理方案。