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CAE仿真分析应用之电机电磁——元计算pFEPG

已有 6626 次阅读 2012-9-4 17:21 |个人分类:学习|系统分类:科研笔记| 有限元, 电机, pFEPG, 元计算, CAE仿真分析

http://www.ectec.asia/hy_djdc.asp

工程设计和科学研究对电磁计算精确度要求的不断提高，促进了有限元方法的发展及其在电气工程方面的广泛应用。作为一个有限元软件的开发平台，pFEPG的高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算。并很容易利用pFEPG产生电磁场计算方面的专业软件。

电磁领域应用案例：

1、在变压器设计中的应用

短路阻抗是变压器设计时的一个非常重要的参数，特别是大型变压器，如果设计失败则造成巨大的经济损失，变压器设计师们利用pFEPG产生的有限元程序，可很好的解决这一问题。如下变压器型式短路阻抗试验结果为 0.4189，pFEPG计算结果 0.4182。

变压器型式变压器型式磁力线分布

2、在含有悬浮导体的瓷绝缘子和玻璃绝缘子中的应用

含有悬浮导体的瓷绝缘子和玻璃绝缘子在不同虚拟材料参数作用下中心轴线处的电位和场强分布也不同，利用pFEPG产生的有限元程序，也能很好的采用虚拟材料参数法处理这一问题。通过分析外包空气体的形状及尺寸会影响到计算的结果。但是不会改变变化的趋势,计算的精度与剖分的疏密程度有较大的关系，剖分得越密,精度越高。而且含有悬浮导体的瓷绝缘子和玻璃绝缘子三维电场计算采用虚拟材料参数法是有效的虚拟介电常数在10⁵~10¹⁰ 之间比较合适。

含有悬浮导体的瓷绝缘子的电位分布

也可以利用pFEPG解决合成绝缘子击穿或存在污秽情况下的电场问题，通过分析很显然,由于绝缘子芯棒局部被击穿,导致电位的分布发生变化,从而导致绝缘子周围的电场分布发生变化。

合成绝缘子存在局部击穿情况下的电位分布

3、在涡流制动器设备设计中的应用

制动力的计算是涡流制动器设备设计中的一个非常重要的参数，利用pFEPG产生的有限元程序，也可以模拟电磁铁与钢轨涡流分布。

图6. v=0时电磁铁与钢轨磁力线图

图7. v=10时电磁铁与钢轨磁力线图

4、在Team Workshop中的应用

Team Workshop问题是国际计算电磁场协会公布的验证电磁分析方法的一系列问题，TEAM Workshop 问题7是用来检验三维线性正弦涡流场分析方法计算精度的实验模型。利用pFEPG产生的有限元程序，可很好的解决这一问题。

导体表面z=0.019m处涡流的矢量图 Bz的计算值与测量值的比较图（ y=0.072m,z=0.034m ）

5、在直流起重电磁铁设计中的应用

直流起重电磁铁电磁场分析系统是由梁国平教授和大连星光电磁铁厂利用pFEPG系统，共同研制开发的专业辅助分析设计软件。该系统面向起重电磁铁工程领域，具有典型起重电磁铁的分析设计、吸力、温升和磁路的计算功能，以及图形显示和后处理等功能。使用该系统可显著提高工作效率，快速可靠地模拟起重电磁铁在工作环境中各种电磁参量的分布状况。

磁势的等值线图磁通密度的云图

6、在三(或多)线圈感应仪器响应模型的电磁场应用

三（或多）线圈感应仪器在石油测井上有很重要的应用。pFEPG已经被应用到感应仪器响应计算模型中。

三(或多)线圈感应仪器响应模型发射线圈的电场场度的矢量图

接收线圈的电场场度的矢量图

7、电机电磁场有限元分析系统

电机电磁场有限元分析系统EMS(Electro Magnetic System)是基于并行有限元自动生成系统（pFEPG）开发的面向电机电磁场领域的CAE软件，软件结合丰富的有限元理论研究和程序开发实践，具有电机的有限元计算，图形显示和分析等功能，能显著地提高工程设计人员的工作效率，快速可靠地模拟电机工作环境中各种电磁参量的分布状况，主要用于大型发电机和变压器等机电设备的电磁场分析。

EMS的技术特点：

->用于各种不同结构的发电机和电动机电磁场计算

->丰富的定、转子部件库，建模方便迅速

->场域网格自动剖分，无须输入边界条件

->场域内材料为线性或非线性

->域内磁势和磁密的数值和图形输出

->任意线段和圆弧上磁通量的输出

->气隙磁密基波和齿谐波等的频谱分析

电机网格剖分图磁势填充图

磁势等值线磁密等值线

8、MEMS专用有限元分析模块

基于pFEPG有限元自动生成开发的微机电系统（MEMS）专用有限元分析模块，该模块能解决包含机械结构、薄膜阻尼、静电、流体、热等单物理场及结构-阻尼耦合、静电-结构耦合、流固耦合等多物理场耦合的复杂MEMS器件的建模、网格划分、求解、结果可视化。

功能包括：静态分析、模态分析、瞬态分析、谐响应分析、矩阵输出等，并且能够解决带预应力的结构分析。
求解能力不少于30万个自由度，求解速度和精度等指标达到同期国际商用同类软件水平。
具有运行于Linux下的界面和菜单功能。
系统使用方便，具有丰富的交互式、可视化输入输出窗口。

9、转子高速旋转电机的电磁场计算
pFEPG推出的有限体积法可以让用户填写gvs文件来生成FVM程序，能够解决因转子高速运动产生的数值解不稳定的问题。在每一时间步改变某一指定区域的材料属性，实现凸极转子高速旋转的模拟。

旋转电机磁场分布磁场强度结果云图

10、在铜轴导线中的应用
在铜轴导线中通过交流电会发生趋肤效应，利用pFEPG产生的有限元程序，也可以模拟到铜轴导线趋肤效应的变化规律，随着频率的减小，趋肤效应逐渐减弱，甚至消失现象。

11、高压断路器灭弧室内部电场分析

在电力系统中，特别是高电压领域中，高压断路器是必不可少的主要控制、保护设备，其地位至为重要，高压断路器的心脏部分-灭弧室的优劣决定了断路器的开关性能，标志着产品的水平。通过pFEPG对灭弧室内的电场分布进行数值计算，分析计算了灭弧室内动、静触头在分合过程中不同位置的静态电场，找到了最大场强位置，得到了不同开距状态下灭弧室内的电场分布和沿触头表面的电场强度分布的情况，对断路器灭弧室内的绝缘强度进行了评估。