基于多物理场耦合特性的电气设备分析与设计

摘要

随着计算机技术的普及和发展，计算机辅助设计工程(Computer Aided Engineering，CAE)的应用越来越广泛，CAE系统的功能和计算精度都得到了很大的提高。电气设备由于其工作特性，通常工作在“电-磁-热-流体”场的多物理场耦合的工作环境，在研发设计初期，电气设备的多物理场耦合分析至关重要，不仅能降低设计成本，还能缩短设计和分析周期。本文选择三种电气设备进行多物理场耦合分析与设计：双凸极电机，母线型MEI滤波器以及干式空心电抗器，对应着旋转类电气设备、新结构类电气设备和静止类电气设备。
　　本研究主要内容包括：⑴在电机部分，首先建立了双凸极电机多物理耦合模型，并提出以静制动有限元的方法来处理电机的旋转问题，在此基础上结合实验求解出一类硅钢片的磁滞损耗系数，并且将此系数应用于采用该类硅钢片的电机中求解其损耗，通过电磁场与热流场的数据双向耦合，分析电机的热流场分布，并通过实验验证该方法的有效性。⑵在母线型EMI滤波器部分，首先阐述了母线型EMI滤波器这种新型集成式EMI滤波器的原理和制作工艺，对制得的样品进行多物理场耦合有限元建模分析，提取新型结构的电磁参数和滤波器在90℃时的载流量；针对该滤波器的结构特点，提出了既能保持高频下的计算精度又能减少计算量的准分布参数模型，并预测滤波器的高频性能。分析该类滤波器结构电感不足的缺点，提出了增强电感的方案，并应用在功率变换器中。⑶在干式空心电抗器部分，提出了多变量预处理、主辅双约束的优化算法，在建立电抗器多物理场耦合有限元模型的基础上，提取优化所需的各类参数，在整个多物理场耦合分析中，优化算法参与到其前处理、求解和后处理中，通过有限元模型重构来实现优化算法的迭代，实现了优化算法与有限元的一体化，并通过算例验证该方法的有效性。⑷通过这样的层层推进模式：以多物理场耦合分析为基础，从电气设备的分析、设计和优化方面分别以电机、母线型EMI滤波器和干式空心电抗器为例进行论述。为工程实际应用提供了参考和借鉴。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 本文主要研究内容

第二章 双凸极电机损耗和热特性

2.1 引言

2.2 双凸极电机以静代动(MRR)有限元原理

2.3 电机稳定旋转状态下损耗求解

2.4 电机“磁场-热-流”场耦合模型建立

2.5 双凸极电机损耗和热特性求解

2.6 本章小结

第三章 母线型EMI滤波器设计

3.1 引言

3.2 母线型EMI滤波器

3.3母线型EMI滤波器多物理场耦合模型

3.4 母线型EMI滤波器载流量

3.5 母线型EMI滤波器准分布参数模型

3.6 母线型EMI滤波器改进与优化

3.7 实验与分析

3.8 本章小结

第四章 电力干式空心电抗器的优化设计

4.1 引言

4.2 电抗器多物理场耦合模型

4.3 基于多物理场耦合的优化设计模型

4.4 优化设计实例分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文与参与项目