考虑非对称性以提高精度的螺线管电磁场数值计算方法技术

本发明专利技术涉及考虑非对称性提高精度的螺线管电磁场数值计算方法，分别将轴对称线圈模型的线圈和螺线管线圈划分为导线微元；比较得到螺线管线圈的导线微元与轴对称线圈的导线微元的夹角；计算螺线管线圈绕制的导线的斜率；计算螺线管线圈绕制时的非对称性对电磁场的影响；计算轴向激励电流，计算螺线管线圈的激励电流的大小与轴对称线圈的激励电流的比例系数，结合结合轴对称线圈的激励电流和比例系数，计算螺线管线圈的电磁场；采用有限元仿真软件建立螺线管线圈模型，对螺线管线圈的电磁场进行仿真验证

【技术实现步骤摘要】
考虑非对称性以提高精度的螺线管电磁场数值计算方法


[0001]本专利技术属于电磁场数值计算领域，具体涉及一种考虑非对称性提高精度的螺线管电磁场数值计算方法
。

技术介绍

[0002]螺线管线圈大量应用于电气
、
舰船以及雷达等各种领域的设备上，而目前针对螺线管线圈电磁场数值计算模型存在较多不足，无法满足工艺上的要求，故而对它所产生的电磁场进行精确计算和求解，其意义重大
。
[0003]据文献可见现有方法无论是理论方法还是有限元方法都存在下列不足：
1、
理论方法上，依靠解析法仅可对如中心点或对称轴等区域进行电磁场的求解；
2、
目前的有限元数值计算模型，普遍都是用的二维轴对称模型，没有考虑螺线管线圈的不对称性，少量使用的三维模型也是对称模型等效的；
3、
少量使用不对称模型进行电磁场数值计算的，则存在建模困难，气隙网格不易划分，求解不易收敛，计算量较大，计算时间长，对计算机性能要求较高等问题
。
[0004]例如，在电力设备中螺线管线圈应用较多，提高它的电磁场数值计算精度对于缩短相关电力设备的研发周期，提高轻合金材料的应用范围，减少投入等方面具有重大意义
。
故对非对称螺线管线圈电磁场数值计算三维模型的修正，对提高中国的制造技术具有极大的意义
。
[0005]目前螺线管线圈电磁场的数值计算应用最多的模型为二维轴对称仿真模型
。
虽然使用精度相对较高的全耦合方式，但忽略了螺线管线圈的非对称性，依然会产生较大的误差问题
。
现有的电磁成形专利，如公开号为
CN103406418A
的中国专利“径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置”公开的螺线管线圈的电磁场数值计算部分就将线圈等效为轴对称模型，利用有限元软件搭建二分之一模型，忽略了螺线管线圈固有的不对称性，导致计算结果存在较大的误差
。
[0006]因此，研究一种解决非对称性问题的螺线管线圈电磁场数值计算方法，为绕制型螺线管线圈电磁场数值计算模型提供较为精确的结果和求解效率，为大型电气
、
舰船以及雷达等设备的研发中，提供精确的电磁场计算结果，缩短设备的研发周期
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的技术问题是螺线管线圈的电磁场数值计算的现有技术中普遍没有考虑线圈的非对称性，少量考虑线圈非对称性的模型存在建模困难
、
求解不易收敛
、
计算量大
、
计算时间长
、
对计算机性能要求高的问题
。
[0008]本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种考虑非对称性提高精度的螺线管电磁场数值计算方法，为绕制型螺线管线圈电磁场数值计算模型提供较为精确的结果和求解效率
。
[0009]本专利技术的技术方案是考虑非对称性以提高精度的螺线管电磁场数值计算方法，包
括以下步骤：
[0010]步骤1：利用微元法，分别将螺线管线圈和轴对称线圈划分为导线微元；
[0011]步骤2：比较轴对称线圈模型和螺线管线圈模型，得到螺线管线圈的导线微元与轴对称线圈的导线微元的夹角
θ
；
[0012]步骤3：计算螺线管线圈绕制的导线的斜率
α
，
α
＝
tan
θ
；
[0013]步骤4：通过轴对称线圈的激励电流再叠加轴向激励电流，等效计算螺线管线圈绕制时的非对称性对电磁场的影响，将螺线管线圈的激励电流在三维坐标系下正交分解为
I
x
、I
y
、I
z
，
I
x
、I
y
、I
z
分别为螺线管线圈的激励电流的
x
轴分量
、y
轴分量和
z
轴分量，则
I
x
＝0，
I
y
＝
I
zhou
，
I
zhou
为轴对称线圈的激励电流，轴向激励电流即为
I
z
；
[0014]步骤5：计算步骤4的轴向激励电流
I
z
＝
I
zhou tan
θ
，螺线管线圈的激励电流的大小
I
luo
与轴对称线圈的激励电流
I
zhou
的比例系数为
[0015]步骤6：结合轴对称线圈的激励电流
I
zhou
和比例系数
γ
，计算螺线管线圈的电磁场；
[0016]步骤7：采用有限元仿真软件建立螺线管线圈模型，对螺线管线圈的电磁场进行仿真验证
。
[0017]进一步地，步骤6中，所述计算螺线管线圈的电磁场采用麦克斯韦公式
[0018][0019]其中，表示哈密顿算子，表示磁场强度，表示电流密度，表示电流密度的
Z
轴分量，表示电流密度的
Y
轴分量，
s
表示单匝线圈的截面积，表示磁感应强度，表示电场强度，
σ
e
表示电导率，为螺线管线圈激励电流
。
[0020]优选地，步骤7具体包括以下子步骤：
[0021]1)
采用有限元多物理场耦合软件建立二维轴对称的螺线管线圈模型，将线圈导线的参数及尺寸，线圈层数和匝数设置的与螺线管线圈一致；
[0022]2)
设定无限远处磁场强度为0，边界条件设置为磁绝缘；
[0023]3)
划分空气域和线圈域，将模型分为近场区域和远场区域，设置模型的边界尺寸；
[0024]4)
将近场区域以一定的网格密度划分，将远场区域以预定义的网格密度划分；
[0025]5)
有限元多物理场耦合软件设置为瞬态研究，并设置时间尺度
、
时间步长；
[0026]6)
进行仿真计算，添加二维绘图组，观察磁场的强度大小和分布
。
[0027]优选地，步骤
3)
中，将模型分为线圈模型尺寸2‑3倍的近场区域和近场区域尺寸2‑3倍的远场区域
。
[0028]优选地，步骤
4)
中，将近场区域以
0.5mm
或小于
0.5mm
的网格密度划分
。
[0029]相比现有技术，本专利技术的有益效果包括：
[0030]1)
本专利技术解决了绕制型螺线管线圈中的非对称模型所产生的误差问题，考虑了螺线管线圈的不对称性，计算结果更精确；
[0031]2)
本专利技术中的一种解决非对称性问题的螺线管线圈电磁场数值计算方法，将螺线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
考虑非对称性以提高精度的螺线管电磁场数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用微元法，分别将螺线管线圈和轴对称线圈划分为导线微元；步骤2：比较轴对称线圈模型和螺线管线圈模型，得到螺线管线圈的导线微元与轴对称线圈的导线微元的夹角
q
；步骤3：根据步骤2得到的夹角计算螺线管线圈绕制的导线的斜率；步骤4：通过轴对称线圈的激励电流再叠加轴向激励电流，等效计算螺线管线圈绕制时的非对称性对电磁场的影响，将螺线管线圈的激励电流在三维坐标系下正交分解为
I
x
、I
y
、I
z
，
I
x
、I
y
、I
z
分别为螺线管线圈的激励电流的
x
轴分量
、y
轴分量和
z
轴分量，则
I
x
＝0，
I
y
＝
I
zhou
，
I
zhou
为轴对称线圈的激励电流，轴向激励电流即为
I
z
；步骤5：计算步骤4的轴向激励电流
I
z
＝
I
zhou
tanq
，螺线管线圈的激励电流的大小
I
luo
与轴对称线圈的激励电流
I
zhou
的比例系数为步骤6：结合轴对称线圈的激励电流
I
zhou
和比例系数
γ
，计算螺线管线圈的电磁场；步骤7：采用有限元仿真软件建立螺线管线圈模型，对螺线管线圈的电磁场进行仿真验证<...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊奇，杨猛，宋先祺，黄浩，唐红涛，闫佳颖，邱立，余坤，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：