電磁場與電磁兼容研討-基于Maxwell 2D的實例研討

1、電磁場與電磁兼容-基于Maxwell 2D的實例研討小組成員：摘要：隨著計算機軟件技術的發(fā)展，越來越多的CAE軟件被應用于工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)中，在這些產(chǎn)品的設計開發(fā)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在電氣設備行業(yè)，ANSYS公司的ANSOFT MAXWELL軟件作為世界知名的商用低頻電磁場有限元分析軟件已經(jīng)在業(yè)界得到了廣泛的應用。本文所述結(jié)合電磁場與電磁兼容課程相關知識，基于Maxwell14.0電磁仿真軟件，通過了“尖端放電現(xiàn)象以及尖端尺寸對放電的影響”與“研究永磁同步電機靜磁場分布”兩個研究論題，著重闡述了利用Maxwell14.0進行2D電磁仿真的基本過程以及通過分析電磁場有關問題的基本方法對所研

2、究論題得出一般性結(jié)論。關鍵詞：尖端放電、永磁同步電機、電磁仿真正文：一、尖端放電現(xiàn)象以及尖端尺寸對放電的影響【原理解釋】強電場作用下，物體尖銳部分發(fā)生的一種放電現(xiàn)象稱為尖端放電，他屬于一種電暈放電。他的原理是物體尖銳處曲率大，電力線密集，因而電勢梯度大，致使其附近部分氣體被擊穿而發(fā)生放電。如果物體尖端在暗處或放電特別強烈，這時往往可以看到它周圍有淺藍色的光暈。通常情況下，空氣是不導電的，但是如果電場特別強，空氣分子中的正負電荷受到方向相反的強電場力，有可能被“撕”開，這個現(xiàn)象叫做空氣的電離。由于電離后的空氣中有了可以自由移動的電荷，空氣就可以導電了，空氣電離后產(chǎn)生的負電荷就是負離子，失去原子的

3、電荷帶正電，叫做正離子。（對孤立導體）導體表面有電荷堆積時，電荷密度與導體表面的形狀有關。在凹的部位電荷密度接近零，在平緩的部位小，在尖的部位最大。當電荷密度達到一定的量值后，電荷產(chǎn)生的電場會很大，以至于把空氣擊穿（電離），空氣中的與導體帶電相反的離子會與導體的電荷中和，出現(xiàn)放電火花，并能聽到放電聲。 【尖端放電的應用】尖端放電在我們的生活中應用廣泛，例如：如高壓線有輪廓的地方，就會出現(xiàn)尖端放電。由于接到電源上，它一邊放電，一邊不停的提供放電需要的電荷，這種放電會持續(xù)下去。避雷針是另外一個好的例子。高大建筑物上安裝避雷針，當帶電云層靠近建筑物時，建筑物會感應上與云層相反的電荷，這些電荷會聚集到

4、避雷針的尖端，達到一定的值后便開始放電，這樣不停的將建筑物上的電荷中和掉，永遠達不到會使建筑物遭到損壞的強烈放電所需要的電荷。雷電的實質(zhì)是2個帶電體間的強烈的放電，在放電的過程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端與大地相連，與云層相同的電荷就流入大地。顯然，要使避雷針起作用，必須保證尖端的尖銳和接地通路的良好，一個接地通路損壞的避雷針將使建筑物遭受更大的損失。【建?！拷⑷缦履Ｐ头抡嫫浞烹娗闆r：l 尖端和圓端的電場分布圖為： l 尖端和圓端的能量分布圖為： 【仿真分析】1、從電場分布圖中我們可以看出，無論是哪種尖端模型，電場都集中分布在導體表面，并且在尖端處明顯要比其他位置集中。圓弧尖端模型在

5、尖端處的電場強度比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的電場在尖端處更為集中。2、從能量布圖中我們可以看出，能量只集中分布在導體尖端附近，圓弧尖端模型在尖端處的能量比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的能量大的范圍更廣。所以在導體表面，越尖銳的位置，導體尖端的電荷密度越大，附近的場強很強，能量也集中分布在尖端附近。這就是尖端放電模型?！就卣贡容^】由于我們進行的圓弧尖端模型和三角尖端模型模擬實驗太少，無法得出尖端角度和弧度的大小對放電的影響，所以我組對不同的角度的三角尖端模型和不同曲率半徑的圓弧尖端模型分別進行了多組測試，并得出了一般性的結(jié)論。（1）當尖端角度變小時，得到尖端1、尖端2和尖端3的電場分

6、布圖為： 同樣，做出尖端1、尖端2和尖端3的能量分布圖為：【結(jié)論】由三個尖端的電場和能量分布圖可以看出：三角尖端模型尖端的場強與尖端的角度沒有明顯的線性關系。但是隨著尖端角度的逐漸變小，尖端處場強越大，放電范圍變小。而尖端周圍能量會逐漸變大，能量范圍則是先變大，再變小。（二）當圓弧尖端曲率半徑逐漸減小時，得到尖端1、尖端2和尖端3的電場分布圖為：同樣，得到尖端1、尖端2和尖端3的能量分布圖為：【結(jié)論】由三個尖端的電場和能量分布圖可以看出：隨著圓弧尖端模型圓弧的曲率半徑逐漸變小，其尖端的場強會逐漸增大，場強范圍變小。尖端周圍能量同樣也會逐漸增大，放電范圍逐漸變小。二、研究永磁同步電機靜磁場分布【

7、工作原理】同步發(fā)電機為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個直流磁場。而產(chǎn)生這個磁場的直流電流，稱為發(fā)電機的勵磁電流。根據(jù)勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發(fā)電機，稱為他勵發(fā)電機，從發(fā)電機本身獲得勵磁電源的，則稱為自勵發(fā)電機?！竟ぷ鞣绞健堪l(fā)電機獲得勵磁電流的幾種方式 1) 直流發(fā)電機供電的勵磁方式 這種勵磁方式的發(fā)電機具有專用的直流發(fā)電機，這種專用的直流發(fā)電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發(fā)電機同軸，發(fā)電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點，是過去幾十年間發(fā)電機主要勵磁方式，具有較成熟的運

8、行經(jīng)驗。缺點是勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護工作量大，故在10MW以上的機組中很少采用。2)交流勵磁機供電的勵磁方式 現(xiàn)代大容量發(fā)電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發(fā)電機大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整 流后供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁，此時，發(fā)電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁測量裝置機或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機通常采用100200HZ的中頻發(fā)電機，而交流副勵磁機則采用400500HZ的中頻發(fā)電機。這種發(fā)電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只

9、有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。3)無勵磁機的勵磁方式在勵磁方式中不設置專門的勵磁機，而從發(fā)電機本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機出口的整流變壓器取得勵磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機勵磁，這種勵磁方式具有結(jié)簡單，設備少，投資省和維護工作量少等優(yōu)點。自復勵磁方式除設有整流變壓外，還設有串聯(lián)在發(fā)電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時，給發(fā)電機提供較大的勵磁電

10、流，以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源?！居邢拊治龅幕静襟E】1 創(chuàng)建項目及定義分析類型2 建立幾何模型3 定義及分配材料4 定義及加載激勵源和邊界條件5 求解參數(shù)設定6 后處理 【仿真步驟】1 .創(chuàng)建項目及定義分析類型2.建立幾何模型3 .定義及分配材料1 ）指定氣隙Air-gap 材料屬性空氣（亦可采用默認材料屬性真空）；2 ）指定繞組coil 材料屬性銅3 ）定義定子鐵心Stator 及轉(zhuǎn)子軛yoke 材料屬性DW465-50,一種電機常用非線性鐵磁材料；4 ）定義永磁體材料，命名為P_Mag，指定給永磁磁

11、極；4 定義及加載激勵源和邊界條件A相正繞組設置+25安培電流激勵，A負繞組設置-25安培電流激勵；，B、C 相分別電流相位分別落后與A 相電流相位120 度和240 度，因此其值為12.5安培。 無邊界漏磁【仿真結(jié)果】1.電機模型剖分情況，如下圖所示：2.電機等勢線分布： 3.電機磁通密度云圖分布： 【結(jié)論】 我們小組運用Maxwell12軟件對永磁同步電機進行了空載條件下的仿真，仿真結(jié)果比較準確地反應了永磁同步電機的剖分圖、電機等勢線以及電機磁通密度的云圖分布。通過仿真，我們可以直觀地看到電機內(nèi)部磁場的分布情況及電機的運行特性，這對電機設計過程極其有利。通過這些直觀的有限元分析結(jié)果，電機設計人員