一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法技术

本发明专利技术提出了一种对超导电机内超导磁体进行多物理场耦合分析的等效边界方法，无需在同一物理模型中完成超导电机和超导磁体的数值模拟计算。包括超导电机物理模型的搭建与仿真计算，超导磁体物理模型的搭建与仿真计算，所述超导磁体物理模型的初始输入条件采用超导电机中超导磁体所处部分边界磁场、热场等计算结果用狄利克雷边界条件等效替代。根据本发明专利技术方法能避免建模仿真时超导电机和超导磁体网格剖分尺寸差距过大而仿真负担重的难题，能有效减少超导电机系统仿真分析时间，同时保证计算精度。计算精度。计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法


[0001]本专利技术涉及一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，可以实现超导电机本体与电机内的超导磁体两者建模的解耦，能减少超导电机及内部磁体运行特性的仿真分析时间，同时保证计算精度。

技术介绍

[0002]随着新能源风力发电的发展，为提高发电效率，降低单位容量的发电成本，电机的单机容量越来越大。永磁直驱风力发电机组是当前海上风力发电中的主流机型，但随着单机容量要求的增大，已经无法满足10MW及以上功率等级的直驱式风力发电机的高功率密度要求。因此，研究具有高功率密度及高效率的高温超导电机，对于能源的升级具有十分重要的意义。
[0003]高温超导磁体是指利用高温超导带材绕制而成的线圈，主要用来产生磁场。高温超导磁体工作状态的变化会影响超导电机的稳定性。超导带材是否工作于超导状态下主要受到三个物理参数的影响：所处环境的磁场、温度以及流过超导磁体电流的大小。这三个参数的制约关系决定了超导磁体的工作特性，任意一个参数超过了其临界值均会导致超导磁体失去超导电性，因而导致超导电机无法正常工作。因此在超导磁体多物理场耦合仿真计算时，对其边界条件设定的准确程度决定了仿真计算结果的准确度。
[0004]在超导磁体中通入直流电时不会产生交流损耗，但通入交流电时会存在磁滞损耗、涡流损耗以及耦合损耗等，在这种情况下，超导磁体的冷却系统的设计就需要考虑其损耗产生的热量以控制其温度场，防止超导磁体失超。将超导磁体应用于超导电机内部时，超导磁体将处于低温、交直流混杂、轴径向电磁力作用的复杂磁场环境中。温度、交直流磁场和电磁力分别影响着超导线圈的热稳定性、交流损耗和机械稳定性，反过来，超导磁体的运行状态也将影响超导电机的电磁性能、机械特性和发热状态。超导磁体性能与电机性能间是通过电、磁、热与应力场媒介耦合在一起的。因此，需要研究超导磁体与电机系统间的电
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磁
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热
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应力多场耦合特性。
[0005]为了解决超导电机系统多物理场耦合分析时，超导电机本体建模尺度与超导线圈精细模型建模尺度上的巨大差异，造成的多物理场耦合分析困难且仿真时间长的难题，本专利技术提出了一种电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界法。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了解决超导电机与超导磁体同时建模时因网格剖分尺寸差距较大导致仿真分析负担重的问题，同时保证超导电机与超导磁体设计的精确性，本专利技术提出了一种电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法。
[0007]本专利技术的一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，包括如下步骤：
步骤1，利用有限元仿真软件对超导电机进行建模，对超导电机进行网格剖分，在超导磁体周围建立一个矩形等效边界，作为超导磁体等效边界；并对磁场、温度场和应力场分布进行计算，获取超导磁体等效边界上的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件。；步骤2，利用有限元仿真软件对超导电机中的超导磁体进行建模，将步骤1中得到的超导磁体的多场边界条件作为超导磁体多物理场分析的初始输入边界条件，计算在该初始输入边界条件下超导磁体的电流分布、电流密度分布情况、磁场变化情况、温度场和应力场的分布情况；步骤3，根据超导线的温度、磁场、电流的临界条件，判断超导磁体产生的交流损耗是否满足制冷功率的要求、判断超导线圈的临界电流是否能满足电机性能的需求、以及超导线圈是否会发生失超；如果超导磁体产生的交流损耗不满足制冷功率的要求、超导线圈的临界电流不满足电机性能的需求、或超导线圈发生失超，则新设计超导电机电磁参数，返回步骤1，直到超导线圈在多物理场下能稳定运行。
[0008]进一步的，步骤1中假设了超导磁体工作于超导状态且能满足超导电机对超导磁体性能的要求，超导电机中电磁场、温度场、应力场的变化均不会影响超导磁体的性能。
[0009]进一步的，步骤1具体包括：获取空载、负载、短路故障状态下超导电机运行在超导磁体周围产生的谐波磁场分布、温度分布、应力分布，并记录在空载、负载、短路故障状态下对应的超导磁体等效边界的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件。
[0010]进一步的，步骤2还包括对超导磁体进行网格剖分，超导磁体的网格剖分采用映射网格，在有限元仿真计算过程中，超导电机与超导磁体的物理模型与网格剖分在不同模型下分别建立。
[0011]进一步的，所述判断超导线圈是否会发生失超的方法具体为：通过有限元仿真软件完成对超导线圈电流、磁场、电压的计算，然后，根据超导磁体的E
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J模型中通过电压判断超导磁体是否失超。一般情况下，超导线圈中通入直流电时，判据电压取1μV/cm；通入交流电时，判据电压可取10μV/cm甚至更高。
[0012]进一步的，步骤3中，所述电机电磁参数包括超导线圈的匝数、并绕根数、通入的电流大小，也包括超导电机的永磁体厚度和极槽比。
[0013]本专利技术进行电机中超导磁体的多物理场耦合分析时，在超导磁体周围设置一个边界，通过对超导电机多物理场仿真分析，提取边界上的磁场、温度场的分布情况，单独建立超导磁体的仿真模型，并将边界的磁
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热
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应力场边界条件用狄利克雷边界条件等效替代。对超导磁体的物理特性进行单独分析。本专利技术所提分析方法具有如下优势：1、将超导电机与超导磁体分别建模，能避免因网格剖分尺寸差距巨大而易导致仿真不收敛的难题，减少仿真时间和计算误差。
[0014]2、将超导电机中的电
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磁
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热
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应力多场耦合的复杂边界条件施加到超导磁体仿真的边界上，对超导磁体仿真计算更加精确，其交流损耗、电流分布的计算结果更准确。
附图说明
[0015]图1是本专利技术超导电机的二维建模示意图；
图2是本专利技术超导磁体的二维建模示意图；图3是本专利技术超导磁体的二维建模网格剖分示意图；图4是本专利技术超导磁体电
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磁
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热
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应力多场耦合的等效边界法流程图；其中，1、超导磁体；2、超导磁体等效边界。
具体实施方式
[0016]下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。
[0017]本专利技术的一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤1，假设超导磁体1工作于超导状态且能满足超导电机要求，超导电机中电磁场、温度场、应力场的变化均不会影响超导磁体1的运行。在此假设条件下，借鉴现有常规电机所采用的多物理场分析和仿真方法，利用JMAG软件，对超导电机进行网格剖分及仿真计算，在约比超导磁体截面积大20% 的截面积处建立一个矩形等效边界，作为超导磁体等效边界2，如图1和2所示，获取空载、负载、短路故障状态下超导电机运行在超导磁体等效边界2上产生的谐波磁场分布、温度分布、应力分布，并记录在空载、负载、短路故障状态下对应的超导磁体等效边界2的磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，利用有限元仿真软件对超导电机进行建模，对超导电机进行网格剖分，在超导磁体周围建立一个矩形等效边界，作为超导磁体等效边界；并对磁场、温度场和应力场分布进行计算，获取超导磁体等效边界上的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件；步骤2，利用有限元仿真软件对超导电机中的超导磁体进行建模，将步骤1中得到的超导磁体的多场边界条件作为超导磁体多物理场分析的初始输入边界条件，计算在该初始输入边界条件下超导磁体的电流分布、电流密度分布情况、磁场变化情况、温度场和应力场的分布情况；步骤3，根据超导线的温度、磁场、电流的临界条件，判断超导磁体产生的交流损耗是否满足制冷功率的要求、判断超导线圈的临界电流是否能满足电机性能的需求、以及超导线圈是否会发生失超；如果超导磁体产生的交流损耗不满足制冷功率的要求、超导线圈的临界电流不满足电机性能的需求、或超导线圈发生失超，则新设计超导电机电磁参数，返回步骤1。2.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，步骤1中假设了超导磁体工作于超导状态且能满足超导电机对超导...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱新凯，周晔，齐广宇，王玉彬，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：