電氣工程電磁熱場模擬與應(yīng)用

前言

大型電磁裝置的設(shè)計、制造、運行中經(jīng)常遇到電磁熱場問題，其中包括強非線性、任意方向異性的磁性材料和復(fù)雜激勵條件下的電磁場、損耗及熱場有效模擬。為了解決那些復(fù)雜的實際問題，需要研究開發(fā)工程電磁熱耦合物理場的分析方法和軟件，對其進行基于基準(zhǔn)模型和可能的實際產(chǎn)品的工程有效性及可用性的嚴(yán)格檢驗、面向工程實際的材料綜合性能模擬及許用臨界條件的確定，建設(shè)和逐步完善飽含產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗研究經(jīng)驗的專家系統(tǒng)等。工程電磁熱場研究和應(yīng)用領(lǐng)域中不斷推陳出新，需要去思考、發(fā)現(xiàn)、挑戰(zhàn)那些源于工程和科學(xué)前沿的“棘手”問題，從數(shù)字仿真和實驗研究兩個方面試著去解決那些問題。一個復(fù)雜問題的解決需要很多人的智慧和力量，需要科學(xué)家、工程師形成合力去尋求有效解決工程問題的方案。在分析方法創(chuàng)新的同時，還應(yīng)注重材料模擬和測試分析方法的工程有效性。因為將沒有經(jīng)過有效性嚴(yán)格測試的分析方法和軟件用于解決關(guān)鍵工程問題的后果是不可想象的，而分析方法和材料模擬技術(shù)的改進、創(chuàng)新以及成果應(yīng)用更是任重道遠。本書以大型電力變壓器為主要工程背景，集中力量研究工程電磁熱場模擬技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)問題。全書分為5個部分12章：第Ⅰ部分闡述大型電力變壓器工程中的電磁熱場問題、制造業(yè)現(xiàn)狀、工業(yè)應(yīng)用和有限元方法基礎(chǔ)；第Ⅱ部分扼要介紹解決工程電磁熱場問題的一些可行的應(yīng)用技術(shù)，電工磁性材料的綜合性能模擬的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究，以及面向工程需求進行的硅鋼片的多向異性、產(chǎn)品級的方形和環(huán)形鐵心綜合電磁性能等實驗研究；第Ⅲ部分全面總結(jié)基于國際TEAM Problem 21基準(zhǔn)族（Benchmark Family）的各種條件下雜散損耗的模型實驗和有限元數(shù)值模擬、有效性驗證及其發(fā)展，包括取向硅鋼疊片內(nèi)由漏磁通引起的附加鐵損的研究；第Ⅳ部分詳細闡述基于低頻磁熱軟件MagNet和ThermNet求解工程電磁熱耦合場的數(shù)值實現(xiàn)過程和方法，并簡介大型工程問題的有限元分析結(jié)果通過應(yīng)用程序界面（API）的專用腳本（script）開發(fā)；第V部分對具有典型意義的變壓器工程問題（例如交流變壓器直流偏磁條件下非線性、時間非對稱電磁場問題）進行實驗研究和數(shù)值仿真。本書是作者多年的工程實踐經(jīng)驗和科研成果的結(jié)晶，亦是來自國內(nèi)外三支研究、開發(fā)、應(yīng)用團隊的科研成果的交融，他們是保定天威集團有限公司（Baoding Tianwei Group Co.，Ltd）、日本岡山大學(xué)（Okayama UniVersity）和加拿大Infolytica公司。各位作者合作完成了本書涉及的各項實驗研究和相關(guān)仿真工作，撰寫的研究報告和論文為本書提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

內(nèi)容概要

本書集中研究電氣工程中的低頻電磁熱場模擬技術(shù)及應(yīng)用。以大型電力變壓器為工程背景，闡述相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和需要進一步深入研究的問題，介紹電磁熱場有限元分析中的關(guān)鍵技術(shù)、磁性材料模擬基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品級模型實驗、基準(zhǔn)問題族的提出與建立、數(shù)值分析方法的有效性驗證、電磁熱耦合場模擬和腳本開發(fā)，以及典型工程應(yīng)用。其中包括中國、日本、加拿大三方作者長期進行電磁熱場相關(guān)研究開發(fā)和應(yīng)用所取得的成果，也包括近期三方合作的研究成果，書中還提供了典型模型、實例的翔實的實驗研究和數(shù)值計算結(jié)果。    本書可供電氣工程領(lǐng)域從事工程研究、產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用的工程技術(shù)人員閱讀，亦可供高等院校電氣工程專業(yè)的研究生、本科生參考。

作者簡介

程志光，l942年生于河北高陽。1967年畢業(yè)于北京大學(xué)，1995年3月獲清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任保定天威集團技術(shù)中心副總工程師，教授級高級工程師。完成多項國家、省部級科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)項目，并獲多項國家、省部級科技進步獎和榮譽稱號。主要研究方向是工程電磁場分析、磁性材料模擬與工業(yè)應(yīng)用。中國電工技術(shù)學(xué)會高級會員，國際計算電磁學(xué)會（ICS）發(fā)起會員。

書籍目錄

第Ⅰ部分  工程電磁熱場問題和有限元方法基礎(chǔ)  第1章  緒論    1.1  工程電磁熱場模擬    1.2  變壓器工程概述      1.2.1  現(xiàn)代變壓器制造業(yè)      1.2.2  變壓器工程中需要解決的問題    1.3  電磁設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)    1.4  快捷的電磁設(shè)計方法    1.5  本書的總體構(gòu)成    參考文獻  第2章  低頻電磁場問題和有限元分析方法基礎(chǔ)    2.1  引言    2.2  麥克斯韋方程組    2.3  低頻渦流問題分析的控制方程    2.4  Ar-V-Ar方法    2.5  矢量伽遼金與標(biāo)量伽遼金處理    2.6  關(guān)于棱單元的討論    2.7  節(jié)點元和棱單元的基本方程和伽遼金余量比較    2.8  節(jié)點元和棱單元的系數(shù)陣中非零元素、總未知數(shù)的比較      2.8.1  未知量和矩陣中非零元素的個數(shù)      2.8.2  非零元素和總未知數(shù)的比較    2.9  本章小結(jié)    參考文獻    附錄第Ⅱ部分  電磁熱場分析中的關(guān)鍵技術(shù)和磁性材料模擬  第3章  電磁熱場模擬的一些關(guān)鍵技術(shù)    3.1  引言    3.2  特殊單元      3.2.1  特殊單元概述      3.2.2  特殊單元中的位分布      3.2.3  有限元公式      3.2.4  算例    3.3  電壓源激勵的磁場分析      3.3.1  考慮電壓源的有限元法      3.3.2  實例分析    3.4  優(yōu)化設(shè)計方法      3.4.1  各種優(yōu)化方法      3.4.2  試驗設(shè)計法      3.4.3  Rosenbrock方法      3.4.4  進化策略      ……  第4章  磁性材料模擬  第5章  硅鋼片的多方向電磁性能模擬  第6章  產(chǎn)品級方形鐵心的電磁性能模擬  第7章  環(huán)形鐵心產(chǎn)品退火前后的磁性能模擬第Ⅲ部分  Problem 21基準(zhǔn)族和疊片內(nèi)附加鐵損問題研究  第8章  Problem 21基準(zhǔn)族及電工雜散損耗模擬  第9章  疊片中附加鐵損的模型實驗和分析第Ⅳ部分  電磁熱耦合場分析和應(yīng)用腳本開發(fā)  第10章  電磁熱耦合場數(shù)值求解  第11章  基于應(yīng)用程序界面的腳本開發(fā)第Ⅴ部分  電力變壓器工程研究及應(yīng)用  第12章  變壓器直流偏磁問題的工程模擬工程電磁熱場相關(guān)術(shù)語

章節(jié)摘錄

插圖：第Ⅰ部分 工程電磁熱場問題和有限元方法基礎(chǔ)第1章 緒論1.1 工程電磁熱場模擬電磁裝置的設(shè)計、制造和運行中存在大量的電、磁、熱場問題，而且往往是多種物理場耦合在一起。大型工程電磁熱場的精細分析十分困難：耦合場問題的數(shù)學(xué)描述和數(shù)值實現(xiàn)復(fù)雜；龐大的電磁裝置的三維幾何造型仍是潛在的瓶頸，例如，大型幾何實體（數(shù)米級）與細薄單元（硅鋼片厚度不大于0．3mm）共存；大型電磁裝置的實體中嚴(yán)格意義上的幾何、物理的對稱性幾乎不存在；求解域內(nèi)存在多種性能的材料及其組合，而且各類材料的物性參數(shù)隨外部條件變化，以及材料的深度非線性、任意方向異性處理等。回顧工程電磁熱場研究和工業(yè)應(yīng)用的歷史進程，由于分析、解決問題的能力和資源的限制，人們必須對復(fù)雜的問題進行可能的簡化，在工業(yè)應(yīng)用的早期按二維靜態(tài)場處理Ⅲ，逐步發(fā)展到三維瞬態(tài)非線性場解，將實際上的耦合場用“解耦”的辦法分別解決那些電磁設(shè)計中更受關(guān)注的問題，例如，相對獨立地求解電場、磁場和熱場等方面的問題或者實施“弱耦合”解決方案。隨著計算機技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，相信解決大型工程耦合物理場問題的能力將不斷提升。

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