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。     

电机电磁场的有限公式计算技术

有限公式方法是一种新型的基于全局变量的电磁场数值计算方法,该文针对工程中电机几何结构复杂的特点,研究了运用有限公式法计算电机内电磁场时的若干技术问题。提出了一个新的当网格单元形状为不规则三角形时的计算格式,避免了对大型矩阵的求逆运算。首次将全局变量中的源变量定义在原剖分网格上,将全局变量中的形态变量定义在映射剖分网格上,提高了在区域边界不规则的情况下多介质区域中磁场计算精度,和编程效率。该文还首次系统地介绍了有限公式方法中边界条件的处理方法,丰富完善了有限公式方法的理论体系。通过对一台实际电机的电磁场分步以及电气参数计算,并与有限元等方法的计算结果进行对比,验证了方法的可行性与正确性。     

带散射体的电力系统多级传输线高频耦合模型

高频电磁场会与架空输电线路产生耦合,一旦高频电磁场的波长小于传输线的高度,经典传输线理论就不再适用。传统的全波数值算法虽然可以解决这一问题,但它的求解效率不高,需要消耗大量的时间与计算资源。此外,电力系统输电线路往往有多个垂直端,线路布局复杂。为了解决这些问题,本文提出了一种理论有效的方法来解决有损耗地面上方带有散射体的电力系统多级传输线的高频电磁场耦合问题。采用计算效率高的渐近法,并在渐近法中引入散射体的概念,以考虑更复杂的电路结构。最后用数值算例验证了该方法的准确性和有效性。     

评估磁共振成像系统电磁安全的数值计算方法

近年来,随着磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术的快速发展,其电磁安全性得到了越来越广泛的重视。为此,综合评述了近几年的研究成果,首先介绍了MRI系统产生的静磁场、梯度场和射频场这3种不同性质的电磁场的生物效应及其安全标准,并在此基础上着重介绍了评估MRI系统电磁安全的数值计算方法,分别就人体数值模型和数值计算方法针对准确度和计算效率详细展开了分析和评价。研究结果表明:当MRI产生的3种电磁场超过一定限值时,会引发生物效应,导致受检者的身体出现不适反应;现有人体模型分辨率高,可较准确地反映真实人体组织,但通用模型限制了高场MRI设备优势的发挥,开发个体体素模型是必然发展趋势;现有的用来评估MRI电磁安全的数值计算方法包括有限元法、矩量法和时域有限差分方法,以及准静态近似方法和混合数值计算方法等衍生计算方法,这些方法能较准确地预测人体组织内的电磁场值,但无法兼顾准确度和高计算效率,仍需进一步改善;现有的安全标准尚不完善,未来应补充开放式MRI系统、PET/MRI多模成像技术以及LINAC/MRI介入治疗系统等新型系统的安全标准。该研究结果可以为MRI设计人员提供参考,帮助补充完善现有的MRI安全标准,在保证安全性的条件下提高系统性能。     

电机三维温度场的有限公式法计算技术

有限公式法是一种类似有限积分技术的新型数值计算方法,其应用及理论研究仍在完善中。基于有限公式法下温度场代数场控制方程及其三维离散格式,该文对通用化程序编制中的对流散热边界条件简化处理、基于单元分析的模块化程序设计、计算数据前后处理等问题做了相关工作。讨论了有限公式法在三维复杂求解域问题中适用性与计算性能,并从数值计算角度验证了线性插值下有限公式法具有二阶计算精度。最后,结合3台不同结构、冷却方式的永磁电机三维温度场分析来说明有限公式法在复杂求解域问题上计算的准确性。就文中仿真算例而言,在相同网格、求解自由度以及求解迭代算法下,有限公式法比有限元法节约计算时间在12%~71.5%,两者计算占用内存基本一致。     

变电站瞬态电磁场耦合二次电缆数值方法研究

提出瞬态电磁场耦合细线问题的三维时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)数值方法的一种改进模型。基于电磁散射理论推导出有限长直细导线终端以及拐角附近的电磁场分量的离散方程。利用改进模型计算电磁脉冲激励下双导体传输线终端负载上的电流电压响应,并进行实验验证。结果表明计算结果与实验结果吻合较好,说明改进的三维FDTD数值模型对研究瞬态场线感应问题是有效的,可用于变电站瞬态电磁场对二次电缆干扰问题的研究。     

广义有限差分法在静态电磁场计算中的应用

广义有限差分法是一种新型区域型无网格数值离散方法。该方法基于多元函数泰勒级数展开式和加权最小二乘拟合,将控制方程中未知参量的各阶偏导数表示为相邻节点函数值的线性组合,克服了传统有限差分法对网格的依赖性。将广义有限差分法应用于电磁场问题的数值模拟中,建立了静态电磁场问题广义有限差分法的数值离散格式。为验证所提算法的有效性,对比了该方法与有限元方法在处理规则求解域与复杂求解域电磁场问题的差异。数值算例表明,该算法稳定,效率高,计算精度高。     

高频平面变压器窗口填充系数的理论分析

引入电场数值计算方法得到了高频平面变压器的动态电容与绕组层间距成反比公式,推导出了高频平面变压器窗口填充系数的理论公式。为优化设计提供了重要的理论基础。     

三维无单元伽辽金法及其在电磁场数值分析中的应用

介绍了三维无单元伽辽金方法的基本理论,并将其应用于电磁场数值计算中.无单元伽辽金方法的理论基础是滑动最小二乘法,它只需节点信息,无需单元信息,摆脱了单元的限制,该方法对有限元法是一个很好的补充,可用于有限元法不能有效解决的某些工程电磁场问题,如薄膜问题、微小气隙问题、运动线圈问题等.针对权函数对无单元法的影响进行了详细研究,并给出了支撑域的选取原则及三维场中影响半径的计算公式.     

时域有限差分总场吸收边界条件的计算与验证

时域有限差分总场吸收边界条件适用于电磁场总场的计算。与传统散射场的吸收边界条件的表达式不一样 ,此时 ,时域有限差分处理的电磁场是入射场和障碍物散射场的和 ,即总场 ,已经不需要把计算区域分为总场和散射场。入射源直接加在吸收边界上 ,在其上进行边界处理 ,省去连接边界 ,这样逻辑上易于理解 ,编程简单 ,计算速度快。本文推导出总场吸收边界条件公式 ,并用一个三维例子 ,把总场和散射场吸收边界条件的结果进行了对比 ,以验证其正确性     

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。     

电磁场有限元技术在发电机优化设计中的应用

工程电磁场的有限元方法具有精度高和通用性强的优点,随着计算机技术的进步,在电机电磁场具体问题的研究分析中发挥着越来越重要的作用。本文从几个方面具体说明有限元技术在大型新型发电机优化设计中的应用,包括电机电磁场参数及电抗参数的精确计算、电压波形及谐波优化设计、汽轮发电机端部三维电磁场研究、水轮发电机阻尼系统分析、铁心损耗精确计算以及在新能源风力发电机电磁设计中的应用等。     

有限元一解析结合解法在无界轴对称静电场问题数值解中的应用

无界电磁场问题的有限元数值分析研究有着重要的理论意义和实用价值.本文采用有限元-解析结合解法实现了有限元法在无界轴对称静电场问题数值分析中的应用,并兼顾了计算精度和效率,形成了一种新型解法.以典型的静电场问题为例,说明了有限元-解析结合解法精度高、简单易行和方便直观,具有实用价值.同时,还保留了有限元法的固有优点.     

Numerical Simulation of Currents Distribution Along Grounding Grid Buried in Horizontal Multi-layered Earth in Frequency Domain Based Dynamic State Complex Image Method

A new mathematical model for accurately computing currents along a grounding grid buried in a horizontal multi-layered earth model has been developed in this article, which is a hybrid of Galerkin’s method of moment and the conventional nodal analysis method; the propagation effect of an electromagnetic wave has been considered. The dynamic state complex image method and closed form of Green’s function of a dipole or monopole in the multi-layered earth model are introduced to enhance efficiency of the method calculation; meanwhile, an analytical formula for mutual induction and impedance coefficients calculation have been adopted to accelerate the calculation. Finally, some numerical results about the distribution of an electromagnetic field and currents along a grounding grid have been discussed, and some conclusions have been obtained.     

考虑磁滞效应的电抗器二维电磁场计算

将J-A模型与电磁场数值分析方法相结合,在考虑铁心的磁滞效应的情况下,推导出电磁场的有限元计算模型。分别采用基本磁化曲线和磁滞回线两种不同的方法对电抗器的电磁场进行仿真计算。研究结果表明磁滞现象对电抗器电磁场的计算影响较大,因此考虑磁滞效应的电磁场数值计算模型,为进一步研究电抗器的发热问题奠定了理论基础。     

3MW双馈风力发电机传热特性数值研究

随着风力发电机容量的增加,电磁负荷不断提高,电机的发热问题成为影响机组性能和经济指标的主要因素之一。为了解决该难题,以一台3MW双馈风力发电机为例,根据流体力学以及传热学理论,结合发电机通风性能以及结构特点,建立了发电机三维流动与传热耦合求解的数学模型与物理模型;并给出基本假设与相应的边界条件,采用有限体积法对三维流体场和温度场控制方程进行耦合计算。最后,对发电机内部的流体流动性能、传热特性以及发电机定转子铁心、定转子绕组以及绝缘的温升分布进行了分析,得到端部气体流动不规律以及二次冷却热能力较强等,为更大容量风力发电机综合物理场的准确计算提供了理论依据。     

远场涡流似波特性的现象与本质研究

远场涡流效应在数学上遵守扩散方程，但是其电磁特性又呈现某些似波动特性。本文从电磁场基本理论出发，以电磁场有限元分析为工具，首次较完整、系统地研究了远场涡流的似波特性，主要集中在电磁场量的相速特征和瞬时扩散能量流特征这两个方面。研究结果表明，远场涡流的电磁场量在远场区具有稳定的相速度，但其值远小于光速；瞬时扩散能量流的变化可以用能流分界线来表示，滞后于激励电流源的变化，呈现出似波动特性。似波特性的实质是管壁中涡流的影响。