场路结合并考虑耦合的磁力机械分析与设计方法研究

论文摘要

论文简要回顾了磁力机械的应用和研究现状,提出了现有磁力机械设计方法中存在的局限性和不足,分析了系统研究磁力机械的场量计算和考虑多物理场间耦合效应的设计分析方法的重要意义,并根据现有研究基础给出了本文研究内容和方法。对磁力机械设计涉及的相关数理理论和方法进行提炼,给出了磁力机械设计的基础理论体系。 基于场分析方法,针对常规设计方法计算电磁参数中普遍忽略的（如磁阻、漏磁、涡流和集肤效应等）、假定的（如磁性材料特性的线性化假设等）因素及有关动态问题（如转速对电磁场分布的影响）,用数值方法作了较详细的定量计算和讨论,为设计中考虑材料非线性、铁损、漏磁等因素影响提供了依据。 对磁力机械中电磁作用下的温度场问题,论文讨论了现有热分析中沿用低压电器的基于牛顿散热公式的简化算法和等效热路法等方法的局限性,并在给定热源条件下,对电磁轴承-转子系统主要部件用场分析方法进行了热分析,其结果直观地给出了温度场分布和变化规律,较准确地反应了散热体各部分热量的获取和损失、热梯度、热流密度等热参数,可作为优化结构参数设计、合理布置散热形式的参考。 在多场耦合问题中,讨论了磁力机械中多物理场耦合的现象、形式,从宏观耦合机理角度对磁力机械中多场耦合进行了分类,论述了耦合问题分析对磁力机械设计的意义和方法。将磁力机械耦合问题分为单场、两场、三场及多场局部耦合问题及复杂耦合问题分别加以讨论。在单场耦合中,讨论了结构因素引起的耦合和磁场内部的场路耦合分析方法,在两场局部耦合中,给出了电磁、机电、热电、热磁、磁场与结构场、结构与温度场等常见耦合分析方法,对三场及多场耦合问题,讨论了在可列出各场数理方程的情况下采用数值方法分析场间耦合;对不能用耦合方程明确描述的复杂耦合分析,提出了将多物理场、多过程、交互式的全局耦合问题转化为各局部耦合问题和各子系统间的耦联问题而得到求解的耦合分析方法。 在上述分析基础上,论文建立了场路结合并考虑耦合的磁力机械设计方法,提出用“场”和“耦合”的观点指导设计过程,以改进现有磁力机械结构和电磁部分设计中依赖经验参数并被分开设计等缺陷,使结果更接近实际。论文以一个大型转子磁性支承系统为实例,说明了设计中将常规计算与场分析相结合并考虑最典型耦合效应的磁力机械结构电磁参数的设计过程和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 目录
• 插图清单
• 表格清单
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究基础和现状
• 1.2.1 关于电磁场的分析计算方法
• 1.2.2 关于耦合场问题的理论与分析方法
• 1.2.3 关于磁力机械设计方法
• 1.3 论文的研究内容和方法
• 1.3.1 研究目标与主要内容
• 1.3.2 研究方法与技术路线
• 第二章 磁力机械设计的基础理论体系研究
• 2.1 磁力机械设计的基础理论体系框架
• 2.2 磁力机械中的物理场
• 2.2.1 场及其数学描述
• 2.2.1.1 场与矢性函数的概念
• 2.2.1.2 数量场的方向导数和梯度
• 2.2.1.3 矢量场的通量和散度、环量和旋度
• 2.2.2 磁力机械设计所涉及的物理场
• 2.3 磁力机械的电磁场理论
• 2.3.1 Maxwell方程组
• 2.3.2 磁位及其偏微分方程—泛定方程
• 2.3.2.1 标量磁位的偏微分方程
• 2.3.2.2 矢量磁位的偏微分方程
• 2.3.3 边界条件和边值问题——定解条件
• 2.3.3.1 位函数微分方程的定解条件
• 2.3.3.2 边界条件的具体形式
• 2.3.3.3 边值问题
• 2.3.4 磁场能量与电磁力
• 2.3.4.1 磁场能量
• 2.3.4.2 电磁力
• 2.4 磁力机械中的热问题
• 2.4.1 稳态导热基本定律
• 2.4.2 导热微分方程
• 2.4.3 温度场单值性条件
• 2.4.4 三维稳态温度场边值问题
• 2.5 磁力机械的场量数值计算方法
• 2.5.1 物理场的统一描述
• 2.5.2 数值计算方法概述
• 2.5.3 场量计算的有限元方法
• 2.5.3.1 运用变分原理对具体物理场问题构造泛函
• 2.5.3.2 泛函离散化和插值函数
• 2.5.3.3 有限元方程
• 2.5.3.4 求解有限元方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 磁力机械中的材料非线性、铁损及漏磁分析
• 3.1 磁力机械中磁介质
• 3.1.1 磁介质类型
• 3.1.2 磁介质特性
• 3.1.3 构建磁力机械磁场场源的常用介质
• 3.2 材料磁化特性对设计参数的影响
• 3.2.1 磁路法对铁磁材料特性的处理方法
• 3.2.2 磁场分析中对铁磁材料特性的处理方法
• 3.2.2.1 将铁磁材料假设为线性材料时
• 3.2.2.2 铁磁材料为实际非线性特性时
• 3.2.3 计算结果讨论
• 3.3 磁力机械中的涡流损耗和磁滞损耗分析
• 3.3.1 铁损的工程分析方法
• 3.3.2 涡流损耗分析
• 3.3.2.1 随时间变化的磁场产生的涡流分析——以变压器叠片为例
• 3.3.2.2 随空间变化的磁场产生的涡流分析——以磁力耦合器为例
• 3.3.2.3 时间和空间变化的磁场产生的涡流分析——以径向电磁轴承为例
• 3.3.3 关于磁滞损耗
• 3.4 磁力机械中的漏磁场分析和计算
• 3.4.1 现有的漏磁场计算方法
• 3.4.1.1 磁路方法
• 3.4.1.2 数值方法
• 3.4.2 两维轴对称场的漏磁分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 磁力机械中电磁作用下的温度场问题
• 4.1 磁力机械热分析目的和方法
• 4.1.1 热分析及其意义
• 4.1.2 热分析方法
• 4.1.2.1 简化公式法
• 4.1.2.2 等效热路法
• 4.1.2.3 温度场分析法
• 4.2 温度场分析中有关热参数的确定
• 4.2.1 热源
• 4.2.2 导热与散热系数计算
• 4.2.2.1 导热系数
• 4.2.2.2 散热系数
• 4.3 稳态温度场的有限元方法
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 模型求解
• 4.4 电磁轴承一转子系统主要部件的温度场分析
• 4.4.1 电磁轴承内部传热机制与热参数计算
• 4.4.2 电磁轴承温度场分析
• 4.4.2.1 现有方法
• 4.4.2.2 电磁轴承温度场分析
• 4.4.3 转子轴温度场分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁力机械中的多场耦合分析
• 5.1 磁力机械中的多物理场耦合效应
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 磁力机械的多场耦联形式与机理
• 5.1.2.1 场间耦合形式
• 5.1.2.2 耦合机理简述
• 5.1.3 耦合分析的意义和方法
• 5.2 单场参数耦合分析
• 5.2.1 结构因素引起的几何参数耦合
• 5.2.1.1 轴向几何参数的耦合与解耦
• 5.2.1.2 径向儿何参数的耦合与解耦
• 5.2.2 磁场内部的场路耦合
• 5.3 两场局部耦合分析
• 5.3.1 电磁耦合与机电耦合
• 5.3.2 磁场与结构场参数的耦合
• 5.3.3 热电耦合与热磁耦合
• 5.3.4 结构场与温度场的耦合
• 5.4 多物理场耦合分析
• 5.4.1 能表达为数学模型的多场耦合
• 5.4.2 不能用藕合方程准确描述的复杂耦合
• 5.4.2.1 建模方法
• 5.4.2.2 求解方法
• 5.5 在磁力机械设计中考虑耦合效应
• 5.5.1 耦合设计理论
• 5.5.2 耦合环境下的设计手段
• 5.6 本章小结
• 第六章 场路结合并考虑耦合的磁力机械设计方法
• 6.1 磁力机械设计的现行方法
• 6.1.1 磁力机械设计的基本问题
• 6.1.2 磁力机械磁场及结构参数设计方法
• 6.1.2.1 基于磁路法的磁场参数设计
• 6.1.2.2 基于电磁场数值模拟的设计参数校验和修正
• 6.1.2.3 结构参数设计
• 6.2 场路结合、考虑耦合的磁力机械设计方法
• 6.3 实例——滚筒磁性支承组件设计
• 6.3.1 设计内容和思想
• 6.3.1.1 设计任务描述
• 6.3.1.2 设计思想
• 6.3.2 结构与电磁场参数的预设计
• 6.3.2.1 静态工作点的设置
• 6.3.2.2 线圈安匝数的计算
• 6.3.2.3 磁极面积的确定
• 6.3.2.4 结构参数设计
• 6.3.3 电磁、结构参数的数值模拟和交互设计
• 6.3.3.1 两维电磁场数值模拟
• 6.3.3.2 三维结构有限元分析
• 6.3.4 设计结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 本文工作的局限和后续工作展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文