CN115238545B - 一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种对超导电机内超导磁体进行多物理场耦合分析的等效边界方法，无需在同一物理模型中完成超导电机和超导磁体的数值模拟计算。包括超导电机物理模型的搭建与仿真计算，超导磁体物理模型的搭建与仿真计算，所述超导磁体物理模型的初始输入条件采用超导电机中超导磁体所处部分边界磁场、热场等计算结果用狄利克雷边界条件等效替代。根据本发明方法能避免建模仿真时超导电机和超导磁体网格剖分尺寸差距过大而仿真负担重的难题，能有效减少超导电机系统仿真分析时间，同时保证计算精度。

Description

一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的方法
技术领域
本发明涉及一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，可以实现超导电机本体与电机内的超导磁体两者建模的解耦，能减少超导电机及内部磁体运行特性的仿真分析时间，同时保证计算精度。
背景技术
随着新能源风力发电的发展，为提高发电效率，降低单位容量的发电成本，电机的单机容量越来越大。永磁直驱风力发电机组是当前海上风力发电中的主流机型，但随着单机容量要求的增大，已经无法满足10MW及以上功率等级的直驱式风力发电机的高功率密度要求。因此，研究具有高功率密度及高效率的高温超导电机，对于能源的升级具有十分重要的意义。
高温超导磁体是指利用高温超导带材绕制而成的线圈，主要用来产生磁场。高温超导磁体工作状态的变化会影响超导电机的稳定性。超导带材是否工作于超导状态下主要受到三个物理参数的影响：所处环境的磁场、温度以及流过超导磁体电流的大小。这三个参数的制约关系决定了超导磁体的工作特性，任意一个参数超过了其临界值均会导致超导磁体失去超导电性，因而导致超导电机无法正常工作。因此在超导磁体多物理场耦合仿真计算时，对其边界条件设定的准确程度决定了仿真计算结果的准确度。
在超导磁体中通入直流电时不会产生交流损耗，但通入交流电时会存在磁滞损耗、涡流损耗以及耦合损耗等，在这种情况下，超导磁体的冷却系统的设计就需要考虑其损耗产生的热量以控制其温度场，防止超导磁体失超。将超导磁体应用于超导电机内部时，超导磁体将处于低温、交直流混杂、轴径向电磁力作用的复杂磁场环境中。温度、交直流磁场和电磁力分别影响着超导线圈的热稳定性、交流损耗和机械稳定性，反过来，超导磁体的运行状态也将影响超导电机的电磁性能、机械特性和发热状态。超导磁体性能与电机性能间是通过电、磁、热与应力场媒介耦合在一起的。因此，需要研究超导磁体与电机系统间的电-磁-热-应力多场耦合特性。
为了解决超导电机系统多物理场耦合分析时，超导电机本体建模尺度与超导线圈精细模型建模尺度上的巨大差异，造成的多物理场耦合分析困难且仿真时间长的难题，本发明提出了一种电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界法。
发明内容
发明目的：为了解决超导电机与超导磁体同时建模时因网格剖分尺寸差距较大导致仿真分析负担重的问题，同时保证超导电机与超导磁体设计的精确性，本发明提出了一种电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法。
本发明的一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，包括如下步骤：
步骤1，利用有限元仿真软件对超导电机进行建模，对超导电机进行网格剖分，在超导磁体周围建立一个矩形等效边界，作为超导磁体等效边界；
并对磁场、温度场和应力场分布进行计算，获取超导磁体等效边界上的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件。；
步骤2，利用有限元仿真软件对超导电机中的超导磁体进行建模，将步骤1中得到的超导磁体的多场边界条件作为超导磁体多物理场分析的初始输入边界条件，计算在该初始输入边界条件下超导磁体的电流分布、电流密度分布情况、磁场变化情况、温度场和应力场的分布情况；
步骤3，根据超导线的温度、磁场、电流的临界条件，判断超导磁体产生的交流损耗是否满足制冷功率的要求、判断超导线圈的临界电流是否能满足电机性能的需求、以及超导线圈是否会发生失超；
如果超导磁体产生的交流损耗不满足制冷功率的要求、超导线圈的临界电流不满足电机性能的需求、或超导线圈发生失超，则新设计超导电机电磁参数，返回步骤1，直到超导线圈在多物理场下能稳定运行。
进一步的，步骤1中假设了超导磁体工作于超导状态且能满足超导电机对超导磁体性能的要求，超导电机中电磁场、温度场、应力场的变化均不会影响超导磁体的性能。
进一步的，步骤1具体包括：获取空载、负载、短路故障状态下超导电机运行在超导磁体周围产生的谐波磁场分布、温度分布、应力分布，并记录在空载、负载、短路故障状态下对应的超导磁体等效边界的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件。
进一步的，步骤2还包括对超导磁体进行网格剖分，超导磁体的网格剖分采用映射网格，在有限元仿真计算过程中，超导电机与超导磁体的物理模型与网格剖分在不同模型下分别建立。
进一步的，所述判断超导线圈是否会发生失超的方法具体为：通过有限元仿真软件完成对超导线圈电流、磁场、电压的计算，然后，根据超导磁体的E-J模型中通过电压判断超导磁体是否失超。一般情况下，超导线圈中通入直流电时，判据电压取1μV/cm；通入交流电时，判据电压可取10μV/cm甚至更高。
进一步的，步骤3中，所述电机电磁参数包括超导线圈的匝数、并绕根数、通入的电流大小，也包括超导电机的永磁体厚度和极槽比。
本发明进行电机中超导磁体的多物理场耦合分析时，在超导磁体周围设置一个边界，通过对超导电机多物理场仿真分析，提取边界上的磁场、温度场的分布情况，单独建立超导磁体的仿真模型，并将边界的磁-热-应力场边界条件用狄利克雷边界条件等效替代。对超导磁体的物理特性进行单独分析。本发明所提分析方法具有如下优势：
1、将超导电机与超导磁体分别建模，能避免因网格剖分尺寸差距巨大而易导致仿真不收敛的难题，减少仿真时间和计算误差。
2、将超导电机中的电-磁-热-应力多场耦合的复杂边界条件施加到超导磁体仿真的边界上，对超导磁体仿真计算更加精确，其交流损耗、电流分布的计算结果更准确。
附图说明
图1是本发明超导电机的二维建模示意图；
图2是本发明超导磁体的二维建模示意图；
图3是本发明超导磁体的二维建模网格剖分示意图；
图4是本发明超导磁体电-磁-热-应力多场耦合的等效边界法流程图；
其中，1、超导磁体；2、超导磁体等效边界。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，假设超导磁体1工作于超导状态且能满足超导电机要求，超导电机中电磁场、温度场、应力场的变化均不会影响超导磁体1的运行。在此假设条件下，借鉴现有常规电机所采用的多物理场分析和仿真方法，利用JMAG软件，对超导电机进行网格剖分及仿真计算，在约比超导磁体截面积大20% 的截面积处建立一个矩形等效边界，作为超导磁体等效边界2，如图1和2所示，获取空载、负载、短路故障状态下超导电机运行在超导磁体等效边界2上产生的谐波磁场分布、温度分布、应力分布，并记录在空载、负载、短路故障状态下对应的超导磁体等效边界2的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件。
步骤2，利用有限元仿真软件Comsol对超导电机中的超导磁体进行建模，如图3所示，将电机不同运行状态下超导磁体等效边界2上的磁场、温度场和应力场作为超导磁体多物理场分析的初始输入边界条件，将超导材料以及其他材料在计算中所要用到的参数及其特性设定好，并对超导磁体进行网格剖分，超导磁体的网格剖分一般采用映射网格，即可利用Comsol计算出在初始输入边界条件下超导磁体内流通的电流大小和电流密度分布，以及超导磁体内部的磁场、温度场和应力场分布。
步骤3，根据超导线圈的温度、磁场、电流的临界条件，通过分析超导磁体内流通的电流大小和电流密度变化，以及超导磁体内部的磁场、温度场和应力场的分布，判断超导磁体产生的交流损耗是否满足制冷功率的要求，同时判断该条件下超导线圈的临界电流是否能满足电机性能的需求，以及根据超导磁体的E-J模型中通过电压判断超导磁体是否失超。一般情况下，超导线圈中通入直流电时，判据电压取1μV/cm；通入交流电时，判据电压可取10μV/cm甚至更高如不满足，则依据超导磁体安全运行的边界条件，重新设计超导电机的电磁参数，包括超导线圈的匝数、并绕根数、通入的电流大小，也包括超导电机的永磁体厚度和极槽比，重复迭代设计，再次将超导磁体的运行情况代入超导电机模型，再次分析电机的电磁场、温度场和应力场分布是否能满足设计需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用有限元仿真软件对超导电机进行建模，对超导电机进行网格剖分，在超导磁体周围建立一个矩形等效边界，作为超导磁体等效边界；
并对磁场、温度场和应力场分布进行计算，获取超导磁体等效边界上的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件；
步骤2，利用有限元仿真软件对超导电机中的超导磁体进行建模，将步骤1中得到的超导磁体的多场边界条件作为超导磁体多物理场分析的初始输入边界条件，计算在该初始输入边界条件下超导磁体的电流分布、电流密度分布情况、磁场变化情况、温度场和应力场的分布情况；
步骤3，根据超导线的温度、磁场、电流的临界条件，判断超导磁体产生的交流损耗是否满足制冷功率的要求、判断超导线圈的临界电流是否能满足电机性能的需求、以及超导线圈是否会发生失超；
如果超导磁体产生的交流损耗不满足制冷功率的要求、超导线圈的临界电流不满足电机性能的需求、或超导线圈发生失超，则新设计超导电机电磁参数，返回步骤1。
2.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，步骤1中假设了超导磁体工作于超导状态且能满足超导电机对超导磁体性能的要求，超导电机中电磁场、温度场、应力场的变化均不会影响超导磁体的性能。
3.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，步骤1具体包括：获取空载、负载、短路故障状态下超导电机运行在超导磁体周围产生的谐波磁场分布、温度分布、应力分布，并记录在空载、负载、短路故障状态下对应的超导磁体等效边界的磁场、温度场和应力场数值，作为超导磁体的多场边界条件。
4.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，步骤2还包括对超导磁体进行网格剖分，超导磁体的网格剖分采用映射网格。
5.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，所述判断超导线圈是否会发生失超的方法具体为：通过有限元仿真软件完成对超导线圈电流、磁场、电压的计算，然后，根据超导磁体的E-J模型中通过电压判断超导磁体是否失超。
6.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法，其特征在于，步骤3中，所述电机电磁参数包括超导线圈的匝数、并绕根数、通入的电流大小，也包括超导电机的永磁体厚度和极槽比。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115688441B (zh) * 2022-11-04 2024-04-09 中车长春轨道客车股份有限公司 电动悬浮列车高温超导磁体耐冲击设计方法和装置
CN115828422B (zh) * 2022-11-25 2024-04-09 中车长春轨道客车股份有限公司 基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法和装置
CN116050176A (zh) * 2023-02-24 2023-05-02 华中科技大学 一种超导磁体力学建模分析方法
CN116432484B (zh) * 2023-03-23 2024-04-16 中国科学院高能物理研究所 无液氦超导腔降温失超过程的多物理场耦合数值仿真方法
CN116956378B (zh) * 2023-09-20 2024-01-02 宁波健信超导科技股份有限公司 一种超导磁体传热分析方法、装置、设备及存储介质
CN117949822B (zh) * 2024-03-26 2024-06-14 青岛大学 一种基于电机旋转对称性的超导电机失超检测方法及装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106529100A (zh) * 2016-12-23 2017-03-22 大工（青岛）新能源材料技术研究院有限公司 一种基于有限元分析螺管超导磁体线圈磁场仿真方法
CN109884402A (zh) * 2018-12-20 2019-06-14 华中科技大学 一种三维非对称结构高温超导磁体交流损耗的获取方法
WO2019223368A1 (zh) * 2018-05-22 2019-11-28 深圳供电局有限公司 一种高温超导corc仿真建模方法
WO2021233615A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 Asml Netherlands B.V. Magnet assembly, coil assembly, planar motor, positioning device and lithographic apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106529100A (zh) * 2016-12-23 2017-03-22 大工（青岛）新能源材料技术研究院有限公司 一种基于有限元分析螺管超导磁体线圈磁场仿真方法
WO2019223368A1 (zh) * 2018-05-22 2019-11-28 深圳供电局有限公司 一种高温超导corc仿真建模方法
CN109884402A (zh) * 2018-12-20 2019-06-14 华中科技大学 一种三维非对称结构高温超导磁体交流损耗的获取方法
WO2021233615A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 Asml Netherlands B.V. Magnet assembly, coil assembly, planar motor, positioning device and lithographic apparatus

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Idoia Cortes Garcia，etc.Optimized Field/Circuit Coupling for the Simulation of Quenches in Superconducting Magnets.2017,97 - 104. *
房震.40T混合磁体中外超导磁体结构性能仿真分析.2018,A005-34. *
杨明皓.600km/h高温超导电动磁浮车载YBCO超导磁体设计研究.2022,A005-466. *
王玉彬;马祎楠.高温超导磁通切换电机励磁线圈电磁力计算.2019,(第07期),82-89. *

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