淺析 | 永磁耦合器電機(jī)多物理場(chǎng)分析方法

永磁耦合器電機(jī)多物理場(chǎng)分析方法。在低溫至高溫的寬溫區(qū)范圍、真空等航天惡劣環(huán)境下，永磁電機(jī)電磁參數(shù)變化很大，材料發(fā)生非線性變化，電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等各個(gè)物理場(chǎng)之間耦合關(guān)系更加復(fù)雜，在正常環(huán)境下可以忽略的多物理場(chǎng)耦合關(guān)系變得不可忽略，成為關(guān)鍵的技術(shù)難題。電機(jī)的鐵心損耗、風(fēng)摩損耗、電機(jī)溫升不但與環(huán)境溫度和壓強(qiáng)密切相關(guān)，而且相互影響。在真空環(huán)境中，散熱條件特殊，與相毗鄰部件的形狀及表面屬性相關(guān)，熱輻射與表面溫度成非線性關(guān)系。真空至高壓強(qiáng)的變化影響應(yīng)力和材料特性變化，使得電機(jī)的多物理場(chǎng)建模難度增大。因此惡劣環(huán)境下永磁電機(jī)內(nèi)各物理場(chǎng)耦合關(guān)系非常復(fù)雜，研究各物理量和物理場(chǎng)的耦合關(guān)系及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律非常困難。

永磁電機(jī)的多物理場(chǎng)分析方法以數(shù)值解析法和有限元分析為主。在數(shù)值解析方面，通用的建模方法有傳統(tǒng)矩陣法、鍵合圖法、聯(lián)結(jié)法、網(wǎng)絡(luò)法等。鐘掘院士等提出了對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行全局耦合分析及耦合并行設(shè)計(jì)的基本理論 。賀尚紅教授等提出建立復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模矩陣法，并建立機(jī)、電、液傳遞矩陣統(tǒng)一模型。文獻(xiàn)采用廣義控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多場(chǎng)耦合數(shù)值仿真建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，求解氣、熱、彈耦合的變域差分問題。介紹了多場(chǎng)耦合的節(jié)點(diǎn)映射方法，討論了場(chǎng)域內(nèi)載荷傳遞。但是數(shù)值解析法在耦合建模和求解仍存在較多問題，由于假設(shè)條件和忽略因素過多，導(dǎo)致計(jì)算精度不夠。在有限元分析方面，眾多CAD /CAE 軟件公司，如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等開發(fā)多物理場(chǎng)耦合計(jì)算工具，已應(yīng)用于航空聲學(xué)、磁流體力學(xué)、動(dòng)態(tài)流固耦合等領(lǐng)域，電磁計(jì)算的精度和效率逐步提高。2007年英國創(chuàng)刊的 《InternationalJournal of Multi Physics》雜志每年召開多場(chǎng)耦合會(huì)議，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)值模型、模型計(jì)算、實(shí)驗(yàn)調(diào)查，其中包括電機(jī)多物理場(chǎng)分析。

在傳統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合分析方面，采用交替迭代的方法可以有效解決弱耦合以及周期穩(wěn)態(tài)強(qiáng)耦合場(chǎng)問題，直接耦合方法則是分析暫態(tài)強(qiáng)耦合場(chǎng)問題的最佳途徑。最初的多場(chǎng)耦合計(jì)算是采用順序單次耦合迭代方法，計(jì)算量較少，但是由于沒有考慮多場(chǎng)耦合，計(jì)算精確度較差。針對(duì)單次順序耦合的不足，提出了同一模型順序耦合計(jì)算方法，省去了兩次建模的過程，但是要求多物理場(chǎng)的耦合模型剖分一致且合理，否則計(jì)算結(jié)果差距較大，并且計(jì)算量比較大。同時(shí)，在分析含有外電路的直流無刷電機(jī)時(shí)，還需結(jié)合場(chǎng)路耦合分析，妥善處理非線性電路分析中仿真步長與計(jì)算量間的矛盾。由此可見，由于耐高溫電機(jī)內(nèi)耦合物理場(chǎng)多、耦合關(guān)系復(fù)雜、環(huán)境邊界復(fù)雜，現(xiàn)有的耦合場(chǎng)建模與解耦計(jì)算方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。

來源：安徽沃弗電力科技有限公司