畢業(yè)論文-中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組牽引變壓器電磁性能仿真分析

頁(yè)電磁場(chǎng)與麥克斯韋方程組2.1電磁場(chǎng)基本理論2.1.1麥克斯韋方程組變換的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電流，而變換的電流也能產(chǎn)生磁場(chǎng)。電與磁相互之間的關(guān)系被發(fā)現(xiàn)后，電磁場(chǎng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)也就此產(chǎn)生。電磁場(chǎng)的實(shí)用性強(qiáng)，在各類(lèi)工程計(jì)算中有無(wú)客戶是的作用,例如電力機(jī)車(chē)，變壓器，輸變電設(shè)備等等。在工程上，麥克斯韋方程組可以對(duì)電磁場(chǎng)做出很好的闡述，麥克斯韋方程組對(duì)于電磁場(chǎng)的研究具有不可估量的價(jià)值，因而，對(duì)麥克斯韋方程組的研究分析是必不可缺的。在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上，還可以研究出有限元分析法以及偏微分方程。方程組的基本變量有六個(gè)，其中五個(gè)是矢量，一個(gè)是標(biāo)量，如下表：表2.1麥克斯韋方程組基本變量表電場(chǎng)強(qiáng)度EV/m磁場(chǎng)強(qiáng)度HA/m電通量密度DC/㎡磁感應(yīng)強(qiáng)度BT電流密度JA/㎡電荷密度ρC/m3麥克斯韋方程組由四個(gè)部分組成：法拉第電磁感應(yīng)定律、安培環(huán)路定律、高斯電通定律以及斯磁通定律。下面簡(jiǎn)要介紹所述四個(gè)定律。法拉第電磁感應(yīng)定律：在閉合的電路中，有隨時(shí)間變化磁場(chǎng)穿過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與穿過(guò)閉合回路的磁通量隨時(shí)間的變化率是成正比的[1][1]杜志強(qiáng).《高效電磁冷坩堝及Ti44Al6Nb0.5B合金的連續(xù)熔鑄研究》（D）.（碩士論文）哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012(2.1)安培環(huán)路定律：與磁場(chǎng)強(qiáng)度和介質(zhì)的分布無(wú)關(guān)，磁場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)由任意一個(gè)閉合曲線的積分，與穿過(guò)這個(gè)路徑的所有電流的代數(shù)和相等[1][1]杜志強(qiáng).《高效電磁冷坩堝及Ti44Al6Nb0.5B合金的連續(xù)熔鑄研究》（D）.（碩士論文）哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012(2.2)高斯電通定律：與介質(zhì)和磁通密度無(wú)關(guān)，穿出任何一個(gè)閉合路徑的電通量等于這個(gè)閉合路徑所包含的電荷量。積分公式為：(2.3)高斯磁通定律：與介質(zhì)和磁通密度無(wú)關(guān)，穿出任意一個(gè)閉合路徑的磁通量恒等于零。用積分公式表示為：(2.4)上述四個(gè)方程便構(gòu)成了麥克斯韋方程組，用于描述電磁場(chǎng)。四個(gè)方程組中，法拉第電磁感應(yīng)定律表明，電場(chǎng)可由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生，是電磁感應(yīng)定律的推廣。安培環(huán)路定律告訴我們，磁場(chǎng)可由變化的電流產(chǎn)生。高斯電通定律告訴我們，電場(chǎng)是由電荷以發(fā)散的形式產(chǎn)生的。高斯刺痛定律表明，磁場(chǎng)線一定是閉合的。麥克斯韋的四個(gè)方程組體現(xiàn)了電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互激發(fā)和變換，相輔相成而統(tǒng)稱為電磁場(chǎng)。講麥克斯韋方程組寫(xiě)成微分形式如下式：(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)計(jì)算電磁場(chǎng)時(shí)，在對(duì)麥克斯韋方程組的運(yùn)用過(guò)程中，通常將其簡(jiǎn)化從而可以使用分離變量的方法。但是實(shí)際上，在工程計(jì)算中，要得到精確的解析解時(shí)很困難的。因而只能根據(jù)實(shí)際的情況，通過(guò)初始條件和邊界條件用數(shù)值解析法得到結(jié)果。一般，通過(guò)賦值兩個(gè)變量是磁場(chǎng)與電場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，使它們各自形成獨(dú)立的偏微分方程，從而使數(shù)值解析法得到簡(jiǎn)化。這兩個(gè)定義的量為1、矢量磁勢(shì)：(2.9)2、標(biāo)量電勢(shì)：(2.10)定義的這兩個(gè)量滿足高斯磁通定律和法拉第電磁感應(yīng)定律。通過(guò)變換，可分別得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的偏微分方程：(2.11)(2.12)其中：相對(duì)磁導(dǎo)率h/m；介電常數(shù)F/m；拉普拉斯算子：電場(chǎng)的偏微分方程與磁場(chǎng)的偏微分方程有相同的形式并且相互對(duì)稱，他們的求解方法均采用有限元法。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可得到各種物理量。最后可由(2.13)式得到磁場(chǎng)能：(2.13)2.1.2電磁場(chǎng)中常用的邊界條件磁場(chǎng)求解時(shí)需要先定義邊界條件，常用的有三種Dirichlet邊界條件Neumann邊界條件Dirichelet與Neumann的組合邊界條件Dirichelet邊界條件表示為：(2.14)式中，為Dirichlet邊界。為其位置函數(shù)，當(dāng)它為零時(shí)，稱之為Dirichlet其次邊界條件。Neumann邊界條件表示為：(2.15)式中，為Neumann邊界，n為的外法線矢量。和時(shí)一般函數(shù)，當(dāng)他們?yōu)榱銜r(shí)，稱之為Neumann邊界條件。2.2有限元分析法隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，工程技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精密程度、復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等要求不斷提高。因此，就需要對(duì)工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、位移等因素做大量的預(yù)測(cè)和計(jì)算。然而，傳統(tǒng)力學(xué)和經(jīng)典理論方法很難對(duì)一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和場(chǎng)進(jìn)行求解和分析。例如一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)、裂縫結(jié)構(gòu)。幾何上及材料上的非線性問(wèn)題等等。若用傳統(tǒng)方法進(jìn)行求解，需要對(duì)這些幾何上材料上連續(xù)不規(guī)則的對(duì)象做出大量的假設(shè)和預(yù)測(cè)，然后再通過(guò)經(jīng)典傳統(tǒng)方法進(jìn)行求解。但是這種方法所求得的結(jié)果往往誤差很大，對(duì)于精度要求高的的工程項(xiàng)目難以達(dá)到要求。因而，就必須使用數(shù)值分析法。其中數(shù)值分析法包括兩種：差分法和有限元分析法。這里主要介紹有限元分析法。有限元分析法起源于20世紀(jì)。Courant在他的論文里首次定義了三角形域上的連續(xù)函數(shù)，提出了物體離散化的問(wèn)題。然后受關(guān)注度很小，十年后才有人再次關(guān)注到物體離散化的概念。若干年后，Turner，Topp等科學(xué)家首次離散三角形單元求出了平面應(yīng)力的解。若干年后W.Clough利用此方法對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并將對(duì)此方法命名為有限元分析法。目前，此方法廣泛應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。我們要研究的物體都是連續(xù)體，我們可以將這些連續(xù)體劃分為無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，存在著無(wú)限多的自由度。這無(wú)數(shù)多個(gè)點(diǎn)便組成了這個(gè)物體。我們將這些點(diǎn)進(jìn)行單個(gè)分析，然后再把所有單元組合起來(lái)看做整個(gè)物體，以求得我們對(duì)這個(gè)物體所需要的解。由于物體的無(wú)限性及物體自由度的無(wú)限性，在工程計(jì)算中，我們根據(jù)所需要達(dá)到的精度，將研究對(duì)象劃分為有限個(gè)單元，即對(duì)物體進(jìn)行近似的單元?jiǎng)澐?，?duì)單元進(jìn)行求解以達(dá)到所需的數(shù)值解。2.2.1有限元分析基礎(chǔ)單元：有限元模型中劃分的各個(gè)小網(wǎng)格稱為單元，單元可由不同的形狀所組成，常用的單元形狀有：三角形單元、矩形單元、多面體單元、線段單元等。在不同的項(xiàng)目中選擇合適的一種單元形狀，對(duì)有限元分析具有有很大幫助和簡(jiǎn)化效果。項(xiàng)目中單元類(lèi)型的多少也決定了該項(xiàng)目功能的強(qiáng)弱。一般單元可選擇的形狀越多，該項(xiàng)目功能就越強(qiáng)大。邊界條件：在對(duì)項(xiàng)目的求解過(guò)程中，需要對(duì)物體的結(jié)構(gòu)在邊界上附加正確的條件，以便使用有限元分析法得到精確的數(shù)值解。初始條件：項(xiàng)目在活動(dòng)前所施加的影響。節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)是有限元中最小的構(gòu)成元素，節(jié)點(diǎn)可以確定有限元的形狀類(lèi)型。節(jié)點(diǎn)可以連接多個(gè)單元。工程中項(xiàng)目所受到的外力稱之為載荷。在不同的領(lǐng)域，載荷的概念和性質(zhì)有所不同。在電磁場(chǎng)鐘，載荷指的是所受到的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的力。2.2.2有限元分析步驟建立項(xiàng)目模型，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行離散化，將連續(xù)的物體分成有限個(gè)單元；對(duì)單個(gè)目標(biāo)單元建立連續(xù)的函數(shù)；對(duì)各單元構(gòu)建方程；連接各單元建立剛度矩陣；對(duì)項(xiàng)目材料進(jìn)行設(shè)置；施加邊界條件、初始條件及載荷；對(duì)方程組進(jìn)行求解，求出各節(jié)點(diǎn)的物理量，如位移，受力情況、溫度等等；分析數(shù)據(jù)得到信息。2.2.3ansoftmaxwell有限元分析Ansoftmaxwell由ANSOFT公司于2003發(fā)行的性能極高的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)仿真軟件。其功能包括交直流磁場(chǎng)、靜態(tài)及瞬態(tài)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析；其后升級(jí)的3D版本可以分析渦流、位移電流、集膚效應(yīng)等，還可得到電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備各零件的性能參數(shù)。用ansoftmaxwell3D軟件分析的步驟如下：設(shè)置求解器類(lèi)型；根據(jù)是實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模型的建立；設(shè)置模型的材料屬性，如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等；設(shè)置邊界條件及激勵(lì)條件；對(duì)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?；有限元?jì)算；后處理。2.3有限元模型建立本文研究對(duì)象為HXD1(DJ4)機(jī)車(chē)TBQ32牽引變壓器，多繞組，單相變壓器，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2.2、表2.3、表2.4：表2.2HXD1(DJ4)機(jī)車(chē)TBQ32牽引變壓器單位高壓繞組牽引繞組額定容量kVA52804×1320額定電壓V250004×970額定電流A2111361最大電流A2351512短路阻抗％3735（單個(gè)）匝數(shù)匝190774表2.3鐵心技術(shù)數(shù)據(jù)表鐵心尺寸mm心柱高mm軛高mm兩心柱中心距mm疊片系數(shù)匝電壓V/W有效截面cm2磁密T接縫伏安mm單位損耗W/kg符號(hào)DHFBjKFAcBmSP心柱23715072006090.9613.1096375.71.572.341.02鐵軛204391.71.5061.02表2.4鐵芯夾板和油箱壁的材料屬性金屬部件名相對(duì)磁導(dǎo)率Murx熱傳導(dǎo)率Kxx電阻率Rsvx密度Dens比熱容C鐵芯夾板（0Cr18Ni9）1.0515W/(m·K)0.73e-6(Ω·m)7.93(g/mm3)500J/(Kg·K)油箱壁（Q345B&Q345E）40048W/(m·K)0.224e-6(Ω·m)7.85(g/mm3)480J/(Kg·K)本文研究的變壓器由株洲南車(chē)電機(jī)股份有限公司研制，忽略繞組渦流影響。模型為芯式鐵芯，八繞組，一個(gè)冷卻回路，以導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷的方式冷卻，單相變壓器，雙柱并聯(lián)，體積小，重量輕。牽引主變壓器如圖2.1所示：圖2.1TBQ32牽引變壓器繞組布置圖由于油箱外由漏磁通，屬于空間有限元，因而為方便計(jì)算，在油箱外附加了邊界條件。環(huán)境溫度取：30℃；變壓器油溫?。?0℃。根據(jù)模型參數(shù)建立模型及單元?jiǎng)澐秩鐖D2.2、圖2.3所示：圖2.2TBQ32牽引變壓器模型圖2.3TBQ32牽引變壓器單元?jiǎng)澐謭D模型說(shuō)明：四個(gè)牽引繞組，每個(gè)繞組74匝。四個(gè)高壓繞組，每個(gè)繞組1907匝。材料為Q345B鋼，又稱為16Mn鋼。除此模型外，在此變壓器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做出改動(dòng)，在外層繞組上加裝輔助繞組，以在仿真過(guò)程中觀察觀察輔助繞組對(duì)變壓器漏磁及渦流的影響。對(duì)TBQ32-5280（額定運(yùn)行）、TBQ32-5280（容量提升，去掉輔助繞組）型牽引變壓器的多物理場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并與試驗(yàn)溫升進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化仿真計(jì)算方法與程序，使仿真計(jì)算溫升值與試驗(yàn)值誤差控制在5K以內(nèi)。2.4本章小結(jié)本章主要簡(jiǎn)述了電磁場(chǎng)基本理論和麥克斯韋方程組。隨后介紹了有限元分析的發(fā)展及分析方法。并且根據(jù)TBQ32牽引變壓器的具體參數(shù)利用ansoftmaxwell軟件進(jìn)行了模型的建立。模型物理場(chǎng)分析機(jī)車(chē)上的牽引變壓器是機(jī)車(chē)的核心部件，因此，牽引變壓器的運(yùn)行質(zhì)量對(duì)列車(chē)行駛的穩(wěn)定性和安全性有著舉足輕重的影響。由于牽引變壓器有著多繞組，高漏抗，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的橫向漏磁場(chǎng)，并且安裝在車(chē)底，尺寸和外形受到嚴(yán)格的限制，因而其散熱性并不樂(lè)觀。牽引變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，由于產(chǎn)生許多附加損耗，而散熱又差，在金屬框架中分布不均，會(huì)造成局部過(guò)熱的情況，因此，對(duì)牽引變壓器的磁通分布、漏磁分布、渦流、損耗等計(jì)算非常重要。3.1關(guān)于漏磁場(chǎng)漏磁對(duì)線圈甚至整個(gè)變壓器的溫升起著無(wú)可忽視的作用，影響變壓器的阻抗電壓，在線圈中引起渦流和環(huán)流，還決定著運(yùn)行時(shí)線圈上的電動(dòng)力。3.1.1漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的原因變壓器從一端繞組上獲取電壓后，便會(huì)在鐵芯上產(chǎn)生磁通鏈。由勵(lì)磁在鐵芯上所產(chǎn)生的完全流過(guò)鐵芯的部分稱之為主磁通。主磁通決定著勵(lì)磁電流的大小。一般主磁通不會(huì)使鐵芯飽和。當(dāng)變壓器另一端加上負(fù)載后，便會(huì)在繞組上產(chǎn)生磁通。只與部分線圈交集的磁通稱之為漏磁通，其決定了負(fù)載電流的大小。主磁通與漏磁通均為閉合回路。主磁通通過(guò)鐵芯，漏磁通會(huì)通過(guò)繞組、空間、壓板甚至油箱。漏磁通的流動(dòng)方向通常與繞組軸平行，因而稱之為縱向漏磁通，產(chǎn)生縱向漏抗電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)變壓器磁式平衡方程可知，牽引變壓器兩邊繞組的磁勢(shì)總是平衡的。然而，變壓器在獲取電壓的一端加強(qiáng)絕緣，使得變壓器兩端的安匝并不完全相等。這樣一來(lái)，在繞組上則存在著幾個(gè)等效繞組。每一個(gè)等效繞組都將產(chǎn)生各自的漏磁通。因此，在還存在著一種漏磁通，其流動(dòng)方向與繞組軸垂直，這種漏磁通成為橫向漏磁通。對(duì)漏磁通的研究，我們從磁式方程著手，雙線圈變壓器的磁式方程為：(3.1)即：(3.2)（）為合成磁勢(shì)，即為勵(lì)磁磁勢(shì)。它是兩個(gè)線圈所建立的主磁通。完全流過(guò)牽引變壓器的鐵芯。(3.2)式還可變換為：(3.3)其中：為一次側(cè)的電流負(fù)載分量。這樣一來(lái)，一次側(cè)的電流為勵(lì)磁電流與一次側(cè)電流負(fù)載分量的合成。可推導(dǎo)出下式：(3.4)由此可得，變壓器的磁場(chǎng)可分為兩部分組成，一為勵(lì)磁磁勢(shì)：(3.5)二為一次側(cè)電流負(fù)載分量與二次側(cè)電流的合成磁勢(shì)：(3.6)根據(jù)全電流定律，這個(gè)合成磁勢(shì)所建立的磁場(chǎng)不可能包含于牽引變壓器兩側(cè)繞組都交鏈的磁通，僅可能存在只與其中組線圈交鏈的磁通。這個(gè)合成磁場(chǎng)就叫做變壓器的漏磁場(chǎng)。把變壓器的磁場(chǎng)分為主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)。主磁場(chǎng)完全通過(guò)鐵芯，漏磁場(chǎng)可能通過(guò)空氣和變壓器油，這樣一來(lái)，主磁場(chǎng)則完全置于一種介質(zhì)中，大大方便了研究。建立漏磁場(chǎng)模型分析的假設(shè)條件：不考慮鐵芯中的損耗；建立變壓器又想漏磁場(chǎng)時(shí)，不考慮繞組渦流損耗。3.1.2主磁通和漏磁通的分布當(dāng)牽引變壓器高壓側(cè)施加額定電壓25000V，帶額定負(fù)載時(shí)的主磁通如下圖。以及主磁通矢量圖如下圖。在額定值下，主磁通對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為。圖3.1TBQ32牽引變壓器主磁通云圖圖3.2TBQ32牽引變壓器主磁通矢量圖本文所研究的牽引變壓器不含輔助線圈，牽引變壓器下圖為牽引變壓器在額定滿負(fù)載情況下的鐵芯夾板的漏磁場(chǎng)分布圖。峰值可達(dá)0.155297T。下圖為變壓器油箱漏磁分布：圖3.3TBQ32牽引變壓器油箱前壁漏磁通云圖圖3.4TBQ32牽引變壓器油箱前壁漏磁通矢量圖漏磁通主要分布在牽引繞組與高壓繞組之間。并且主要位于繞組下部。所以該部分繞組所受到的電動(dòng)力必然大于其他部分。因此，在對(duì)變壓器進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)該對(duì)這部分繞組進(jìn)行特別的加固和結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)。圖3.5TBQ32牽引變壓器油箱側(cè)壁漏磁通云圖圖3.6TBQ32牽引變壓器油箱側(cè)壁漏磁通矢量圖圖3.7TBQ32牽引變壓器油箱上壁漏磁通云圖圖3.8TBQ32牽引變壓器油箱上壁漏磁通矢量圖圖3.9TBQ32牽引變壓器油箱下壁漏磁通云圖圖3.10TBQ32牽引變壓器油箱下壁漏磁通云圖牽引變壓器油箱上下壁漏磁通主要集中在鐵芯兩柱軸的對(duì)應(yīng)位置，方向?yàn)橄蛩闹軘U(kuò)散。輔助繞組對(duì)油箱壁來(lái)說(shuō)，無(wú)屏蔽效果；由于輔助繞組為多匝線圈，線圈之間存在間隙，無(wú)法形成較大的渦流效應(yīng)來(lái)抑制漏磁對(duì)油箱壁的影響。若輔助繞組處于工作狀態(tài)時(shí)能有效降低油箱壁的漏磁和渦流損耗。但本文研究對(duì)象不含輔助線圈，牽引變壓器上下油箱壁上漏磁峰值為。3.2變壓器渦流及渦流損耗牽引變壓器是一種既導(dǎo)磁又導(dǎo)電的材料，當(dāng)繞組中通過(guò)電流時(shí)，在繞組周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線穿過(guò)導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體中將產(chǎn)生電流回路，導(dǎo)體將會(huì)發(fā)熱。這些熱能消耗在自身中，并未對(duì)外有能量的輸出。因此將之稱為渦流損耗。3.2.1渦流損耗有限元分析在計(jì)算矢量場(chǎng)時(shí)可以將矢量當(dāng)成三個(gè)標(biāo)量的耦合：、、，然后使用標(biāo)量插值公式：(3.7)使用后得到(3.8)式：(3.8)利用上式進(jìn)行有限元分析，稱之為磁矢勢(shì)法。這種方法計(jì)算量大，速度慢，對(duì)電腦運(yùn)行儲(chǔ)存量要求高，在計(jì)算時(shí)不方便加邊界條件，并且存在精度問(wèn)題。利用棱邊單元的方法可以得到簡(jiǎn)化并且提高精度。80年代，有科學(xué)家應(yīng)用一階或二階等參六面體研究三維場(chǎng)，甚至將單元形狀擴(kuò)展為四面體、金字塔、楔形。這種方法極大地方便了對(duì)牽引變壓器渦流的求解。根據(jù)電磁場(chǎng)公式及庫(kù)侖定律可得到(3.9)和（3.10）式：(3.9)(3.10)公式說(shuō)明：為磁導(dǎo)率，Js是源電流密度。渦流密度Je可表示為：(3.11)由此可以計(jì)算出渦流損耗P的值：(3.12)式中，為渦流區(qū)域，為周期，Je為渦流密度。3.2.2ansys有限元分析Ansys公司于1970年成立，一直致力于分析軟件的開(kāi)發(fā)。Ansys軟件是一款大型的有限元分析軟件。可以處理結(jié)構(gòu)、熱、電磁、聲學(xué)等各類(lèi)問(wèn)題，廣泛用于鐵路、航天、船舶、機(jī)械、土木、水利、生物、石油等各大領(lǐng)域。Ansys有限元分析由三部分組成：前處理模塊、求解模塊、后處理模塊。前處理模塊：前處理模塊用于用戶建立有限元模型，內(nèi)部提供超過(guò)100中單元模型。根據(jù)實(shí)際研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、材料屬性設(shè)置相關(guān)參數(shù)及選擇合適的單元類(lèi)型。在計(jì)算機(jī)的輔助下建立適用的有限元模型。求解模塊：在這個(gè)模塊中，用戶可以對(duì)研究對(duì)象施加激勵(lì)條件和載荷等，從而進(jìn)行力學(xué)、場(chǎng)等的有限元分析。在電氣化領(lǐng)域，主要對(duì)電磁場(chǎng)的電磁分布、磁力線分布、電感、電容、磁通量、渦流等進(jìn)行分析研究。后處理模塊：利用求解模塊求解后，可以通過(guò)后處理模塊對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看。其中后處理模塊由POST1和POST26組成。POST1可以對(duì)計(jì)算的電磁場(chǎng)力、溫度場(chǎng)等進(jìn)行云圖或矢量圖的輸出。POST26可以根據(jù)某一時(shí)間響應(yīng)路徑給出相關(guān)的數(shù)據(jù)分布圖、關(guān)系圖、折線圖、曲線圖及列表等等。3.2.3變壓器渦流分布圖TBQ32牽引變壓器油箱厚為6mm，上下壁厚為10mm。油箱壁相對(duì)磁導(dǎo)率為400，電阻率為0.224e-6。接下來(lái)給出由ansys軟件分析得出的油箱渦流分布圖。 圖3.11TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板渦流場(chǎng)及渦流損耗云圖（無(wú)輔助） 圖3.12TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板渦流場(chǎng)及渦流損耗云圖（帶輔助）圖3.13TBQ32牽引變壓器油箱下壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（無(wú)輔助）圖3.14TBQ32牽引變壓器油箱下壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（帶輔助）圖3.15TBQ32牽引變壓器油箱上壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（無(wú)輔助）圖3.16TBQ32牽引變壓器油箱上壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（帶輔助）圖3.17TBQ32牽引變壓器油箱右壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（無(wú)輔助）圖3.18TBQ32牽引變壓器油箱右壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（帶輔助）圖3.19TBQ32牽引變壓器油箱左壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（無(wú)輔助）圖3.20TBQ32牽引變壓器油箱左壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（帶輔助）圖3.21TBQ32牽引變壓器油箱前壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（無(wú)輔助）圖3.22TBQ32牽引變壓器油箱前壁渦流場(chǎng)及渦流損耗（帶輔助）表3.1TBQ32牽引變壓器油箱渦流總表牽引主變壓器型號(hào)下壁(Watts)上壁(Watts)右側(cè)壁(Watts)左側(cè)壁(Watts)前壁(Watts)總損耗(Watts)TBQ32-5280kVA（無(wú)輔助）68.5*294.4*2222.3*2188.6*2943.3*21519.1*2TBQ32-5280kVA(帶輔助)71.0*2265.2*297.0*2165.6*2946.4*21545.2*2對(duì)比TBQ32-5820kVA牽引變壓器帶輔助繞組(輔助繞組處于閑置狀態(tài))和不帶輔助繞組兩種情況下漏磁、渦流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布可知：輔助繞組對(duì)油箱壁來(lái)說(shuō)，無(wú)屏蔽效果；由于輔助繞組為多匝線圈，線圈之間存在間隙，無(wú)法形成較大的渦流效應(yīng)來(lái)抑制漏磁對(duì)油箱壁的影響。若輔助繞組處于工作狀態(tài)時(shí)能有效降低油箱壁的漏磁和渦流損耗。其油箱壁與繞組之間的布置是相對(duì)合理的。3.3溫度場(chǎng)分析3.3.1熱傳遞方式熱傳遞分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式。（1）熱傳導(dǎo)：兩物體相互接觸，由于他們之間存在溫度差而引起的內(nèi)能相互交換。能量流動(dòng)方向由溫度高者流向溫度低者。熱傳導(dǎo)定律可由傅里葉公示表達(dá)：(3.13)式中，“-”表示能量由高溫者流向低溫者，k為導(dǎo)熱系數(shù)。（2）熱對(duì)流：一般發(fā)生在液體和氣體介質(zhì)中。熱對(duì)流由兩種形式，自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。牛頓冷卻方程可以用來(lái)描述熱對(duì)流：(3.14)式中，h為膜傳熱系數(shù)，Ts為固體表面溫度，為周偉流體溫度。熱輻射：物體所發(fā)出的的電磁能，于接收物體發(fā)生能量交換產(chǎn)生熱能。呢個(gè)梁交換效率與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，真空中熱輻射效率最高。熱輻射的熱量傳遞可用斯蒂芬-玻爾茲曼公式表示：(3.15)式中，為熱效率，為輻射率，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。A為兩輻射面面積，F(xiàn)為形狀系數(shù)，T為兩物體的絕對(duì)溫度。3.3.2變壓器熱效應(yīng)變壓器在運(yùn)行的時(shí)候，能量轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到100%。在能量轉(zhuǎn)換中會(huì)產(chǎn)生各種損耗。這些損耗不對(duì)外做功，而是全部轉(zhuǎn)換為熱能的形式。繞組、鐵芯、油箱等便是主要發(fā)熱結(jié)構(gòu)。油浸式變壓器中，熱量主要由熱傳導(dǎo)形式散出。熱量最終傳導(dǎo)到郵箱壁上，靠對(duì)流實(shí)現(xiàn)。因而本文主要對(duì)變壓器鐵芯和油箱溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖3.17TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板的溫度場(chǎng)分布（無(wú)輔助）圖3.17TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板的溫度場(chǎng)分布（帶輔助）圖3.18TBQ32牽引變壓器油箱壁的溫度場(chǎng)分布（無(wú)輔助）圖3.18TBQ32牽引變壓器油箱壁的溫度場(chǎng)分布（有輔助）TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板及油箱溫升牽引主變壓器的型號(hào)鐵芯夾板最高溫升(℃)油箱壁最高溫升(℃)TBQ32-5280kVA（無(wú)輔助）2.625.7TBQ32-5280kVA(帶輔助)2.625.5對(duì)于采用同心式繞組結(jié)構(gòu)的牽引變壓器的鐵芯夾板的渦流較小，溫升也較低。TBQ32-5820kVA型牽引變壓器的油箱壁的渦流損耗及局部最高溫升較大，建議采用一定的磁屏蔽或電屏蔽措施。3.4本章小結(jié)對(duì)于TBQ32牽引變壓器的各物理場(chǎng)分析，提出以下幾點(diǎn)：(1)對(duì)比TBQ32-5820kVA牽引變壓器帶輔助繞組(輔助繞組處于閑置狀態(tài))和不帶輔助繞組兩種情況下漏磁、渦流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，一般輔助繞組對(duì)油箱壁來(lái)說(shuō)屏蔽效果不明顯；但本文研究對(duì)象渦流影響較大，可考慮加入輔助繞組。若輔助繞組處于工作狀態(tài)時(shí)能有效降低油箱壁的漏磁和渦流損耗。(2)根據(jù)對(duì)TBQ32牽引變壓器的渦流損耗和溫度場(chǎng)分布可知，其油箱壁與繞組間的布置結(jié)構(gòu)相對(duì)是合理的。(3)由TBQ32牽引變壓器的鐵芯夾板渦流損耗和溫升可知：牽引變壓器的鐵芯夾板的渦流較小，溫升也較低。(4)由TBQ32牽引變壓器的油箱壁渦流損耗和溫升可知：其油箱壁的渦流損耗及局部最高溫升均較大；因此，建議采用一定的磁屏蔽或電屏蔽措施。本章給出了TBQ32牽引變壓器鐵芯的主磁通及漏磁通的云圖和向量圖。分析了漏磁通的集中處和改善建議。對(duì)渦流產(chǎn)生的原因和分析手段進(jìn)行了闡述，給出了油箱的渦流場(chǎng)分布圖。并對(duì)變壓器的鐵芯夾板和油箱壁的溫度場(chǎng)進(jìn)行出圖及分析。結(jié)論在現(xiàn)今社會(huì)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，人們的生活質(zhì)量有了很大提高。電氣化鐵路作為低能耗，高效率，相對(duì)環(huán)保的運(yùn)輸工具，在人類(lèi)社會(huì)占據(jù)著舉足輕重的位置。電力機(jī)車(chē)上的牽引變壓器作為動(dòng)車(chē)組的心臟部件，其運(yùn)行穩(wěn)定性，各方面耐受性對(duì)于機(jī)車(chē)的運(yùn)輸穩(wěn)定和安全起著決定性的作用。牽引變壓器多繞組，高漏抗的特性，其各種物理場(chǎng)有著極為復(fù)雜的特性，因此，對(duì)牽引變壓器的多物理場(chǎng)研究分析有著極其重要的意義。隨著數(shù)學(xué)領(lǐng)域和科學(xué)的發(fā)展，有限元分析技術(shù)被廣泛用于各種場(chǎng)的模擬分析。在電氣化領(lǐng)域中，有限元分析法極大地方便了對(duì)電機(jī)、變壓器等設(shè)備的模擬分析。其基本思想是將一個(gè)連續(xù)的物體結(jié)構(gòu)離散化，分割成有限個(gè)單元。并對(duì)這些單元安置有限個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元與單元之間便通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接。這樣便可以將一個(gè)連續(xù)的物體看做是有限個(gè)單元的組合。接下來(lái)便建立場(chǎng)函數(shù)，這些節(jié)點(diǎn)為場(chǎng)函數(shù)的基本變量。并且在每個(gè)單元中假設(shè)一個(gè)近似的差值函數(shù)來(lái)表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布情況，再建立有限元方程組。這樣一來(lái)，便將一個(gè)由無(wú)限單元所組成的物體轉(zhuǎn)化為有限性的方程求解問(wèn)題。本文根據(jù)2014年株洲電車(chē)場(chǎng)研制的TBQ32牽引變壓器實(shí)際參數(shù)和結(jié)構(gòu)，利用ansoftmaxwell3D和ansys軟件對(duì)變壓器進(jìn)行建模以及各種物理場(chǎng)的分析。主要有：對(duì)電氣化鐵路發(fā)展史及我國(guó)動(dòng)車(chē)發(fā)展史進(jìn)行概述。對(duì)牽引變壓器的發(fā)展史和牽引變壓器各種繞組類(lèi)型的進(jìn)行簡(jiǎn)述。提出了對(duì)變壓器電磁場(chǎng)分析的必要性和重要性。簡(jiǎn)述了電磁場(chǎng)的基本理論，介紹了有限元分析法。利用麥克斯韋方程組的基本原理，結(jié)合ansoftmaxwell3D、ansys軟件，根據(jù)TBQ32牽引變壓器實(shí)際參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立及模型離散化。利用模型，用軟件對(duì)牽引變壓器的主磁通、漏磁通進(jìn)行分析，計(jì)算出了變壓器油箱的渦流分布及渦流損耗。有限元對(duì)三維場(chǎng)的分析提供了很大方便。通過(guò)對(duì)牽引變壓器電磁場(chǎng)的三維分析，可以了解到變壓器內(nèi)部物理場(chǎng)的特性，有助于分析變壓器內(nèi)部電磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度場(chǎng)的問(wèn)題。對(duì)變壓器設(shè)計(jì)人員提供了一定的依據(jù)。在對(duì)變壓器的研制和有限元分析中，還可在以下方面進(jìn)行進(jìn)步一步的探索：本文在研究渦流模型的時(shí)候，為使研究簡(jiǎn)化和方便需要，忽略了一些邊緣效應(yīng)。但是在變壓器研發(fā)的時(shí)候，為了提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在相關(guān)邊緣條件的假設(shè)以及在模型上的建立需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。由于變壓器為各部分結(jié)構(gòu)線性差異較大，因此，在離散化時(shí)對(duì)其單元?jiǎng)澐忠筝^高。這也是有限元分析法中無(wú)法忽視的難題。因此，在有限元分析法正值物理場(chǎng)分析的主流的方法時(shí)，解決這一瓶頸問(wèn)題也是當(dāng)下值得攻克的方向。盡管牽引變壓器在尺寸和重量上有著苛刻的要求，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以根據(jù)安裝空間及渦流漏磁分布進(jìn)行優(yōu)化。例如對(duì)變壓器油箱的局部加厚或者是采取電屏蔽的方式可以使油箱漏磁得到很好地改善。參考文獻(xiàn)[1]謝德馨,姚纓英,白保東,李錦彪.三維渦流場(chǎng)的有限元分析.機(jī)械工業(yè)出版社，2001:1-19[2]湯蘊(yùn)瓔編著.電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)(第二版).科學(xué)出版社,1998:1-14[3]陳丕章,嚴(yán)烈通,姚若萍.電機(jī)電磁場(chǎng)理論計(jì)算，科學(xué)出版社,1986:106-107[4]B.0.Pedersen等.丹麥國(guó)家鐵路EG3100型C0’C0’雙流制機(jī)車(chē)(一)[J].變流技術(shù)與電力牽引，2001.[4]唐黎標(biāo).電力變壓器常見(jiàn)故障及診斷技術(shù).安全，2008.[5]喻奇，吳江濤.客運(yùn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