基于多物理场耦合特性的电气设备分析与设计

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1、中图分类号：TN713论文编号：102870315-S116学科分类号：080805硕士学位论文基于多物理场耦合特性的电气设备分析与设计研究生姓名虞振洋学科、专业电工理论与新技术研究方向电磁场与电磁兼容指导教师王世山副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringTheAnalysisandDesignofE

2、lectricalEquipmentbasedonMulti-physicsAThesisinElectricalEngineeringbyYuZhenyangAdvisedbyAssociateProf.WangShishanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2015承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽

3、我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：1摘要随着计算机技术的普及和发展，计算机辅助设计工程(ComputerAidedEngineering,CAE

4、)的应用越来越广泛，CAE系统的功能和计算精度都得到了很大的提高。电气设备由于其工作特性，通常工作在“电-磁-热-流体”场的多物理场耦合的工作环境，在研发设计初期，电气设备的多物理场耦合分析至关重要，不仅能降低设计成本，还能缩短设计和分析周期。本论文选择三种电气设备进行多物理场耦合分析与设计：双凸极电机，母线型MEI滤波器以及干式空心电抗器，对应着旋转类电气设备、新结构类电气设备和静止类电气设备。全文按照层层推进的顺序，包含如下几部分：在电机部分，首先建立了双凸极电机多物理耦合模型，并提出以静制

5、动有限元的方法来处理电机的旋转问题，在此基础上结合实验求解出一类硅钢片的磁滞损耗系数，并且将此系数应用于采用该类硅钢片的电机中求解其损耗，通过电磁场与热流场的数据双向耦合，分析电机的热流场分布，并通过实验验证该方法的有效性。在母线型EMI滤波器部分，首先阐述了母线型EMI滤波器这种新型集成式EMI滤波器的原理和制作工艺，对制得的样品进行多物理场耦合有限元建模分析，提取新型结构的电磁参数和滤波器在90℃时的载流量；针对该滤波器的结构特点，提出了既能保持高频下的计算精度又能减少计算量的准分布参数模型

6、，并预测滤波器的高频性能。分析该类滤波器结构电感不足的缺点，提出了增强电感的方案，并应用在功率变换器中。在干式空心电抗器部分，提出了多变量预处理、主辅双约束的优化算法，在建立电抗器多物理场耦合有限元模型的基础上，提取优化所需的各类参数，在整个多物理场耦合分析中，优化算法参与到其前处理、求解和后处理中，通过有限元模型重构来实现优化算法的迭代，实现了优化算法与有限元的一体化，并通过算例验证该方法的有效性。全文通过这样的层层推进模式：以多物理场耦合分析为基础，从电气设备的分析、设计和优化方面分别以电机

7、、母线型EMI滤波器和干式空心电抗器为例进行论述。为工程实际应用提供了参考和借鉴。关键词：多物理场耦合，电气设备，双凸极电机，母线型EMI滤波器，干式空心电抗器1国家自然科学基金(51177071)、台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》（DREK2013004）和研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj120204)资助。iAbstractWiththedevelopmentofthecomputertechnology,thefunctionofCAEsystemhasbeenimp

8、rovedgreatly.Astheelectricalequipmentsareappliedinthe‘Electric-Magnetic-Thermal-Fluid’couplingfield,theanlysisofthisproblemscanreducenotonlythecostsofdesign,butalsothedesignandanalysiscycle.Inthispaper,threeelectricalequipmentsformulti-physicscouplin