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浅析 | 永磁耦合器电机多物理场分析方法
王飞云
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永磁耦合器电机多物理场分析方法。在低温至高温的宽温区范围、真空等航天恶劣环境下，永磁电机电磁参数变化很大，材料发生非线性变化，电磁场、温度场、流体场、应力场等各个物理场之间耦合关系更加复杂，在正常环境下可以忽略的多物理场耦合关系变得不可忽略，成为关键的技术难题。电机的铁心损耗、风摩损耗、电机温升不但与环境温度和压强密切相关，而且相互影响。在真空环境中，散热条件特殊，与相毗邻部件的形状及表面属性相关，热辐射与表面温度成非线性关系。真空至高压强的变化影响应力和材料特性变化，使得电机的多物理场建模难度增大。因此恶劣环境下永磁电机内各物理场耦合关系非常复杂，研究各物理量和物理场的耦合关系及其动态变化规律非常困难。
永磁电机的多物理场分析方法以数值解析法和有限元分析为主。在数值解析方面，通用的建模方法有传统矩阵法、键合图法、联结法、网络法等。钟掘院士等提出了对复杂机电系统进行全局耦合分析及耦合并行设计的基本理论 。贺尚红教授等提出建立复杂网络拓扑结构的建模矩阵法，并建立机、电、液传递矩阵统一模型。文献采用广义控制系统对发动机多场耦合数值仿真建立统一的数学模型，求解气、热、弹耦合的变域差分问题。介绍了多场耦合的节点映射方法，讨论了场域内载荷传递。但是数值解析法在耦合建模和求解仍存在较多问题，由于假设条件和忽略因素过多，导致计算精度不够。在有限元分析方面，众多CAD /CAE 软件公司，如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等开发多物理场耦合计算工具，已应用于航空声学、磁流体力学、动态流固耦合等领域，电磁计算的精度和效率逐步提高。2007年英国创刊的 《InternationalJournal of Multi Physics》杂志每年召开多场耦合会议，重点关注数值模型、模型计算、实验调查，其中包括电机多物理场分析。
在传统多物理场耦合分析方面，采用交替迭代的方法可以有效解决弱耦合以及周期稳态强耦合场问题，直接耦合方法则是分析暂态强耦合场问题的最佳途径。最初的多场耦合计算是采用顺序单次耦合迭代方法，计算量较少，但是由于没有考虑多场耦合，计算精确度较差。针对单次顺序耦合的不足，提出了同一模型顺序耦合计算方法，省去了两次建模的过程，但是要求多物理场的耦合模型剖分一致且合理，否则计算结果差距较大，并且计算量比较大。同时，在分析含有外电路的直流无刷电机时，还需结合场路耦合分析，妥善处理非线性电路分析中仿真步长与计算量间的矛盾。由此可见，由于耐高温电机内耦合物理场多、耦合关系复杂、环境边界复杂，现有的耦合场建模与解耦计算方法有待进一步改进。
来源：安徽沃弗电力科技有限公司
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