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第Ⅰ部分 工程电磁热场问题和有限元方法基础3

第1章 绪论3

1.1 工程电磁热场模拟3

1.2 变压器工程概述4

1.2.1 现代变压器制造业4

1.2.2 变压器工程中需要解决的问题7

1.3 电磁设计面临的挑战9

1.4 快捷的电磁设计方法13

1.5 本书的总体构成14

参考文献14

第2章 低频电磁场问题和有限元分析方法基础17

2.1 引言17

2.2 麦克斯韦方程组18

2.3 低频涡流问题分析的控制方程20

2.4 Ar-V-Ar方法21

2.5 矢量伽辽金与标量伽辽金处理22

2.6 关于棱单元的讨论23

2.7 节点元和棱单元的基本方程和伽辽金余量比较24

2.8 节点元和棱单元的系数阵中非零元素、总未知数的比较25

2.8.1 未知量和矩阵中非零元素的个数25

2.8.2 非零元素和总未知数的比较26

2.9 本章小结27

参考文献28

附录30

第Ⅱ部分 电磁热场分析中的关键技术和磁性材料模拟39

第3章 电磁热场模拟的一些关键技术39

3.1 引言40

3.2 特殊单元40

3.2.1 特殊单元概述40

3.2.2 特殊单元中的位分布41

3.2.3 有限元公式42

3.2.4 算例42

3.3 电压源激励的磁场分析45

3.3.1 考虑电压源的有限元法45

3.3.2 实例分析47

3.4 优化设计方法48

3.4.1 各种优化方法48

3.4.2 试验设计法48

3.4.3 Rosenbrock方法49

3.4.4 进化策略50

3.4.5 ON/OFF算法52

3.4.6 应用举例54

3.5 磁热耦合分析64

3.5.1 热场分析64

3.5.2 磁热分析65

3.5.3 磁热流体分析67

3.6 本章小结72

参考文献72

第4章 磁性材料模拟74

4.1 引言75

4.2 B-H曲线模拟75

4.2.1 B与H的关系75

4.2.2 分段多项式拟合方法76

4.2.3 高磁通密度下B-H曲线的逼近77

4.3 各向异性的模拟78

4.3.1 双B-H曲线模型78

4.3.2 多B-H曲线模型80

4.3.3 E＆S模型86

4.4 磁滞模拟86

4.4.1 各种磁滞模型86

4.4.2 插值方法87

4.4.3 Preisach模型88

4.4.4 Jiles-Atherton模型92

4.4.5 Stoner-Wohlfarth模型93

4.4.6 单相变压器中磁滞效应对磁通分布的影响95

4.5 铁损的估计97

4.5.1 交变磁通下的铁损97

4.5.2 旋转磁通下的铁损99

4.6 叠片铁心模拟101

4.6.1 叠片铁心及各种建模方法101

4.6.2 均匀化方法101

4.6.3 分区法102

4.7 影响电工钢片磁特性的因素106

4.7.1 由剪切引起的残余应力107

4.7.2 压应力108

4.7.3 挤压和过盈装配对电机铁心铁损的影响110

4.7.4 旋转磁通下的铁损111

4.7.5 直流偏磁下的铁损112

4.8 本章小结116

参考文献116

附录119

第5章 硅钢片的多方向电磁性能模拟122

5.1 引言122

5.2 磁各向异性问题123

5.3 爱泼斯坦方圈测量方法125

5.4 硅钢片的磁各向异性测量127

5.4.1 测量原理和设备127

5.4.2 试样制作129

5.4.3 实验程序130

5.5 测量结果与分析130

5.5.1 退火前Bm-Hm曲线（30P120）130

5.5.2 退火前Bm-Wt曲线（30P120）132

5.5.3 退火后Bm-Hm曲线（30P120）132

5.5.4 退火后Bm-Wt曲线（30P120）134

5.5.5 退火前后Bm-Hm曲线比较134

5.5.6 30P120试样退火前后Bm-Wt曲线比较138

5.6 试样退火前后磁性能测量中电压开始畸变时的波形记录141

5.7 本章小结148

致谢148

参考文献149

附录150

第6章 产品级方形铁心的电磁性能模拟171

6.1 引言172

6.2 两个铁心模型172

6.3 实验仪器设备及性能174

6.4 实验线路175

6.5 实验项目及实验方法175

6.5.1 实验项目175

6.5.2 实验方法及注意事项176

6.6 功率的有功和无功分量在铁心接缝区和柱-轭区的分配176

6.6.1 电压、电流波形176

6.6.2 铁心激磁伏安的分离177

6.6.3 有功功率的分离184

6.7 铁心的电磁性能模拟188

6.7.1 铁心的Bm-Hb和Bm-Wt曲线188

6.7.2 硅钢片材料的性能曲线（30Q140）189

6.8 本章小结192

致谢193

参考文献193

附录193

第7章 环形铁心产品退火前后的磁性能模拟202

7.1 引言202

7.2 铁心模型技术数据203

7.3 实验仪器设备及性能204

7.4 实验方法204

7.5 实验结果205

7.5.1 环形铁心退火前后磁性能曲线205

7.5.2 环形铁心Bm-Hb曲线、Bm-Wt曲线重复性实验208

7.6 本章小结209

致谢209

参考文献209

附录210

第Ⅲ部分 Problem 21基准族和叠片内附加铁损问题研究217

第8章 Problem 21基准族及电工杂散损耗模拟217

8.1 引言218

8.2 TEAM Problem 21的发展220

8.3 Problem 21基准族的定义223

8.3.1 基准模型223

8.3.2 基准族的数据231

8.3.3 需要计算的场量232

8.4 数值分析和测量233

8.4.1 涡流分析方法概述233

8.4.2 铁损和磁通的测量234

8.5 计算和测量结果238

8.5.1 Problem 21239

8.5.2 Problem 21a241

8.5.3 Problem 21b244

8.5.4 Problem 21c248

8.5.5 Problem 21基准族的“损耗谱”250

8.6 Problem 21进入饱和状态252

8.6.1 不同激励条件下的非线性迭代收敛过程252

8.6.2 饱和因子的引入254

8.6.3 关于准饱和问题的分析254

8.7 双线圈中激磁电流变向时的损耗257

8.8 本章小结259

致谢260

参考文献260

附录264

第9章 叠片中附加铁损的模型实验和分析274

9.1 引言274

9.2 模型结构和技术数据275

9.2.1 模型的结构尺寸275

9.2.2 测量线圈的设置275

9.3 实验方法及实验项目277

9.3.1 实验线路277

9.3.2 实验方法277

9.4 实验结果279

9.4.1 P21-M1的损耗测量结果279

9.4.2 P21-M2的损耗测量结果280

9.4.3 P21-M1和P21-M2模型测量线圈中交链磁通的波形280

9.4.4 P21-M1和P21-M2模型硅钢片中平均磁通密度的波形282

9.4.5 P21-M1和P21-M2的平均磁通密度的最大值283

9.5 三维有限元计算和结果287

9.5.1 三维有限元模型287

9.5.2 铁损的测量和计算结果287

9.5.3 叠片中交链磁通的测量和计算结果288

9.5.4 指定位置的漏磁通的测量和计算结果291

9.6 本章小结292

致谢293

参考文献293

附录293

第Ⅳ部分 电磁热耦合场分析和应用脚本开发297

第10章 电磁热耦合场数值求解297

10.1 引言297

10.2 仿真工具的使用298

10.3 MagNet与ThermNet简介299

10.4 使用MagNet与ThermNet建模299

10.4.1 几何造型299

10.4.2 线圈与激励源301

10.4.3 电路302

10.4.4 材料性能303

10.4.5 边界条件309

10.4.6 热源313

10.4.7 计算精度问题314

10.5 从MagNet与ThermNet中提取结果327

10.5.1 MagNet与ThermNet中的场327

10.5.2 场的可视化329

10.5.3 动画效果336

10.5.4 场值提取337

10.5.5 全局量337

10.5.6 脚本的使用341

10.6 电磁场计算344

10.6.1 求解电磁场问题344

10.6.2 边界条件345

10.6.3 电磁场问题的规模345

10.6.4 表面阻抗法345

10.6.5 集肤深度建模347

10.7 电磁损耗和热场问题的计算348

10.7.1 热场问题的求解348

10.7.2 热场问题的规模348

10.8 电磁场和热场耦合问题的求解机理349

10.8.1 求解电磁-热耦合问题349

10.8.2 耦合求解的控制350

10.8.3 电磁场和热场耦合问题的求解350

10.9 本章小结351

参考文献351

第11章 基于应用程序界面的脚本开发352

11.1 引言352

11.2 脚本开发基础353

11.2.1 脚本的定义和作用353

11.2.2 脚本的分类354

11.2.3 简明的基础语法354

11.3 脚本文件开发363

11.3.1 自动建模363

11.3.2 录制脚本367

11.3.3 交互操作367

11.3.4 导出场值370

11.4 计算变压器绕组参数脚本开发372

11.4.1 计算变压器绕组参数脚本的特点372

11.4.2 实现的目标372

11.4.3 用有限元计算绕组涡流损耗的方法373

11.4.4 实现过程373

11.5 本章小结378

参考文献378

第Ⅴ部分 电力变压器工程研究及应用381

第12章 变压器直流偏磁问题的工程模拟381

12.1 引言382

12.1.1 直流偏磁问题的特点382

12.1.2 已有进展和遇到的困难384

12.1.3 本章的主要内容385

12.2 直流偏磁条件下的材料特性386

12.2.1 变压器铁心的Φ-I与B-H曲线386

12.2.2 变压器铁心的Bm-W曲线393

12.3 直流偏磁条件下激励电流的计算394

12.3.1 迭代法原理394

12.3.2 计算方法有效性的确认397

12.3.3 激磁电流的谐波分析400

12.3.4 产品谐波分析实例402

12.4 直流偏磁条件下变压器磁场和损耗的计算409

12.4.1 建模时需考虑的因素409

12.4.2 空载偏磁条件下的磁场和损耗的计算411

12.4.3 负载偏磁条件下的磁场和损耗计算419

12.4.4 偏磁对损耗的影响424

12.5 变压器耐受直流偏磁能力的研究425

12.6 本章小结428

致谢429

参考文献429

附录430

工程电磁热场相关术语435