壳式牵引变压器多物理场分析与优化

摘要

电力机车牵引模式主要有集中式和分散式两种，分散牵引模式由于在启动加速、系统平衡度及运行可靠性方面较集中牵引具有明显的优势被高速电力机车广泛采用，而壳式牵引变压器和传统铁心式牵引变压器比起来有结构紧凑、体积小、电磁干扰小等特点，被应用于基于分散牵引模式的电力机车牵引传动系统。但是这种结构紧凑、体积小的壳式牵引变压器漏磁影响甚为严重。因此，对其开展电、磁、热的环境仿真分析，具有重要的工程意义。
　　本文对壳式牵引变压器开展了多物理场的仿真分析与优化方面的研究工作如下:
　　首先，介绍了电磁场分析与计算的基本理论、边界条件，论述了引入标量电势和矢量磁势来求解似稳交变电磁场的基本原理;阐述了有限元法的基本原理和实施步骤，因边单元法在处理材料属性变化较大的分界面较节点有限元法具有明显的优势以及具有较好的计算精度，重点对本文采用的边单元法的单元形态函数进行了分析;
　　其次，以某一实际壳式牵引变压器为研究对象，应用ANSYS软件建立了该牵引变压器的三维有限元模型，并采用边单元法对其漏磁场及涡流场进行了分析计算，并结合涡流损耗的计算原理，对该牵引变压器的内部金属结构的涡流损耗进行了计算;在此基础上，结合磁-热间接耦合算法，对其温度场进行了分析计算;计算结果表明:该壳式牵引变压器会出现局部过热的现象，从而提出了采用夹板开槽和油箱壁加磁屏蔽的改进方案;
　　最后，在论述了Taguchi算法的实施步骤及Rosenbrock优化算法的基础上，本文提出了一种结合了Taguchi和Rosenbrock两种优化算法的新算法，并给出了新算法的优化步骤和结构框图，应用新算法对壳式牵引变压器夹板开槽方案及油箱壁磁屏蔽方案进行了优化设计;通过与初始方案的计算结果进行对比，结果表明:优化方案能改善壳式牵引变压器的涡流分布和温度场分布，效果明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本论文研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变压器漏磁场研究现状

1．2．2 变压器温度场研究现状

1．3 本论文的研究内容

第2章 电磁场理论与有限元法

2．1 似稳交变电磁场理论基础

2．1．1 麦克斯韦方程组

2．1．2 电磁场本构关系

2．1．3 场域边界条件

2．2 似稳交变电磁场求解原理

2．2．1 电磁位引入

2．2．2 规范变换

2．2．3 电磁位方程

2．3 有限元计算方法概述

2．4 有限元法基本原理

2．4．1 有限元计算步骤

2．4．2 有限元形状函数

2．4．3 有限元单纯形坐标

2．4．4 等参单元与等参变换

2．4．5 棱边单元有限元法

2．5 本章小结

第3章 壳式牵引变压器多物理场计算分析

3．1 壳式牵引变压器三维有限元计算模型

3．1．1 壳式牵引变压器实体结构及材料属性

3．1．2 集肤深度及网格划分

3．1．3 变压器磁势平衡

3．1．4 载荷施加及边界条件处理

3．2 壳式牵引变压器漏磁及涡流场的计算

3．2．1 边单元法在涡流损耗计算中的应用

3．2．2 油箱及夹板漏磁场计算结果

3．2．3 油箱及夹板涡流损耗计算结果

3．3 壳式牵引变压器温度场分析计算

3．3．1 传热学基本原理

3．3．2 耦合场分析方法

3．3．3 变压器温度场计算结果

3．4 本章小结

第4章 壳式牵引变压器优化设计

4．1 Taguchi方法

4．1．1 Taguchi方法简介

4．1．2 Taguchi方法的实施步骤

4．1．3 Taguchi方法正交试验

4．2 Rosenbrock算法

4．2．1 Rosenbrock算法简介

4．2．2 Rosenbrock算法实现步骤

4．2．3 Rosenbrock算法的优点

4．3 优化原理与流程图

4．4 变量选取与试验设计

4．5 优化目标函数的构造

4．6 优化计算分析

4．6．1 初始优化方案

4．6．2 最终优化方案

4．6．3 温度场对比分析

4．7本章小结

结论

参考文献

致谢