1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究

中国科学院高能物理研究所于2023年6月完成了高品质因数1.3 GHz超导加速模组研发,在国际上率先实现了中温退火高品质因数超导腔模组技术路线。模组中集成了八只经过中温退火工艺处理的1.3 GHz9-cell超导腔,在模组的测试过程中超导腔的高阶模耦合器温升异常,导致超导腔无法在高梯度下稳定工作。通过HFSS软件和CST软件中的微波仿真模块对高阶模耦合器进行电磁分析,再通过理论和Ansys Workbench软件对高阶模耦合器进行热仿真分析,并结合模组的高功率实验,找到了超导腔性能异常的原因,并对超导腔高阶模耦合器的冷却方式进行了进一步的优化,解决了模组中超导腔高梯度下的不稳定性。

基于HIE-FDTD方法的电磁热耦合分析快速计算方法研究

基于混合显隐式时域有限差分(hybrid implicit-explicit finite-difference time-domain,HIE-FDTD)方法,提出了一种电磁热耦合分析快速计算方法。仿真电磁场时,采用HIE-FDTD方法求解Maxwell旋度方程;计算温度场时,采用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法求解热传导方程。由于HIE-FDTD方法只对1维空间偏导数采用隐式差分方法进行离散,因此时间步长不受电磁目标精细结构所在方向网格大小的限制。采用电磁热耦合分析快速计算方法对十字缝隙频率选择表面的电磁热耦合效应进行分析,并将仿真结果与采用传统FDTD方法、CST软件以及COMSOL软件的仿真结果进行对比,所有结果均相互符合。十字缝隙频率选择表面算例结果表明:在保证计算精度的前提下,采用HIE-FDTD方法的仿真时间仅为传统FDTD方法仿真时间的1/6,有效提高了电磁热耦合仿真的计算效率。

BMS电路板多模块协同热-力耦合建模及仿真分析

针对现有电动汽车电池管理系统(BMS)电路板研究仅仅考虑单一功能模块的温度场及其散热效果,缺乏考虑BMS多个功能模块在温度场和力场下的相互影响及协同效应的研究的情况,以某商用BMS电路板为研究对象,采用ANSYS构建了表征BMS多模块协同作用下的热-力耦合数值仿真分析模型并验证了其有效性.在此基础上,针对BMS电路板各功能模块温度场及热变形行为开展了数值仿真研究.结果表明:BMS电路板温度分布不均,最大温差达20.5℃.均衡模块存在积热,温度高达54.4℃.高温导致电路板组件发生热膨胀变形,同时电路板约束诱发均衡模块及供电模块边缘的贴片电阻出现热应力集中,两者共同作用致使BMS均衡模块、供电模块产生凸起翘曲变形,且Z轴热变形量随着温度升高而增大,最大变形量达9.5μm,应针对BMS电路板上积热模块开展散热优化设计.

基于电磁-流热双向耦合的变压器绕组温升计算及结构参数优化

变压器温升是影响其运行状态和使用寿命的关键因素。为了更准确地得到油浸式变压器绕组区域的温度场分布,采用有限元法对绕组的电磁-流热耦合过程进行了数值研究。根据电磁场及流体-温度场分布的特点,建立了变压器及绕组区域的计算模型。基于异构网格节点数据映射方法,将电磁场分析得到的绕组非平均损耗作为热源边界条件加载到流体-温度场计算网格中,并根据每次迭代时的温度对该热源进行修正,实现电磁-流热的双向耦合。在此基础上,建立热点温度与绕组结构参数之间的响应面,开展了对绕组热点温度及导体材料用量最小化的多目标优化研究。采用非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)获得了Pareto最优解,并对Pareto前沿面上的4种优化方案进行了分析。结果表明,优化后的绕组热点温度及导体用量明显降低。该文研究为变压器结构的优化设计提供了一种可行方法。

面向电磁装置磁-热耦合分析的异型网格映射方法

采用弱耦合有限元法求解电磁装置中的电磁场、流场和温度场的耦合问题时,电磁场计算得到的能量损耗要通过网格传递到温度场作为载荷,结合空气或液体的散热进行热分析。由于电磁场和热-流场在求解时对网格离散要求相差很大,因此若要兼顾各种场的要求需剖分成统一的有限元模型,势必会造成网格单元数很大、提高计算代价。而如果采用不同的网格模型,则无法实现网格间的数据直接映射。提出一种异型网格映射法,通过高斯积分及坐标变化来实现不同场之间不同网格的数据映射。此外,还提出了该方法的精度控制策略及误差修正系数,以保证计算结果的准确性。将异型网格映射法应用于文献中空气绝缘三相母线槽热分析中,将计算结果与常规同型网格直接映射方法及实验结果进行对比,进一步验证了该方法的有效性。

基于电磁-热耦合场的架空输电线路载流量分析与计算

架空输电线路的允许载流量是保证其安全运行的重要参数之一。根据架空输电线路产热和散热的特点,建立了架空导线的磁场-温度场耦合二维有限元分析模型,确定电磁-热耦合场分析的边界条件,求解得到了架空输电导线内部电磁场分布。将得到的焦耳热损耗作为热源耦合至热场模型进行计算,并采用数值迭代法求解得到架空输电导线的允许载流量。此外,基于该仿真模型通过仿真分析得出了不同外部环境因素对架空输电线路载流量的影响规律。该研究成果可以为架空输电线路的热分析和载流量计算提供一定的参考。

基于电磁-热耦合有限元分析的永磁调速器性能研究

针对永磁调速器(permanent magnet device,PMD)在三维磁场的仿真计算忽略了导体盘涡流生热对性能的影响,提出一种基于电磁-热耦合的有限元分析方法。利用Ansoft Maxwell和Ansys Workbench软件搭建永磁调速器的电磁场和温度场耦合仿真模型,分析涡流生热对导体盘及永磁体性能参数的影响,将涡流热功率作为热源载荷导入温度场,并在Transient Thermal模块中进行温度场仿真,将温度场仿真结果用于修正永磁调速器的性能参数,最终通过磁场仿真计算输出转矩。仿真结果表明:基于电磁-热耦合计算的转矩结果较改进前相比与实测值误差更小,适用于工程计算。

无刷直流电动机电磁场-热场耦合分析

利用电磁场有限元分析软件MagNet和热场有限元分析软件ThermNet,对无刷直流电动机进行了电磁场-热场耦合分析,研究了电机的发热情况,仿真结果符合电机的温升规律。分析过程对研究无刷直流电动机的电磁场和热场分布有重要意义,对提高电机设计水平和精度具有一定参考作用。

被动电磁装甲对聚能射流的电-热作用耦合分析

为提高被动电磁装甲防护效果,研究了被动电磁装甲的电-热作用机理,建立了被动电磁装甲对均匀拉伸聚能射流的电-热作用耦合分析模型,进行了静态铜杆和运动射流温度场分布的数值分析。通过试验验证了耦合分析模型的正确性和可行性。运动模型的分析结果表明射流侵彻被动电磁装甲时,射流的熔化开始于速度为5.8 km/s左右的射流中部,而气化和电爆炸现象发生在速度小于4.5 km/s的射流尾部。分析结果也为被动电磁装甲的优化提供了研究基础。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

基于电磁-热耦合的XLPE电缆缺陷暂态温度分布研究

针对10 kV电缆常见的3种缺陷,本文建立了三维电缆缺陷模型并进行电磁-热耦合温度场分析,研究3种缺陷电缆的暂态温度模型,分析不同工作电流与不同敷设条件对3种缺陷电缆温度的影响。结果表明:缺陷对电缆的危害从大到小排序依次为金属尖端缺陷、气隙缺陷、划痕缺陷;在相同载流量的情况下,金属尖端缺陷处温度高于其他两种缺陷处温度;确定了电缆在出现缺陷时隧道敷设的散热效果最好;无缺陷试样电缆内部温度从线芯至外护套沿径向逐渐降低,在缺陷的作用下电缆内部温度场发生畸变;缺陷电缆线芯温度与外护套温度的拟合系数、电缆缺陷处温度与电缆线芯温度的拟合系数均接近1。仿真拟合结果为电缆缺陷的判断与识别提供了理论支撑。

基于热-应力耦合的LNG储罐泄漏状态下外罐壁受力分析

为分析LNG全容罐在内罐泄漏状态下的外罐壁液密性,采用大型通用有限元分析软件对外罐在正常使用、夏季高中低液位及局部冷点泄漏状态下的结构响应进行了非线性有限元分析,并验证分析了热角保护结构的可靠性。研究结果表明:正常使用阶段外罐壁向内轻微收缩,外罐壁外侧根部出现轻微受拉损伤。泄漏阶段外罐壁收缩明显增大,外罐壁内侧出现大范围受拉损伤,钢筋应力水平显著增加,但外罐壁液密性指标满足要求。热角保护结构在内罐泄漏状态下可有效保证外罐壁底部不直接接触低温液体。

基于ANSYS的电力耐张线夹监测装置热-结构耦合有限元分析

耐张线夹是架空输电线路的重要组成部件之一,其损坏导致电力系统安全运行成本的增加,因此需要大量相关监测装置。设计了一款耐张线夹监测装置,用于耐张线夹运行状况的监测。利用ANSYS对装置进行环境载荷下的热-结构耦合的有限元分析,记录监测装置在不同安装接触情况下各部位的应力和变形,所得结果表明面接触安装方式优于点接触和线接触。选取面接触安装方式与NY400型耐张线夹三维模型完成装配,进行引流板接触位置180℃情况下的瞬态热有限元分析,获取监测装置对引流板接触位置温度变化的响应情况。

盘式永磁调速器电磁-热耦合仿真分析

针对盘式永磁调速器,利用Ansoft Maxwell和ANSYS Workbench软件进行了三维建模和电磁-热耦合仿真分析。研究了铜盘厚度、气隙厚度和永磁体厚度对盘式永磁调速器的转矩和温度的影响。研究结果为后续样机的结构设计和冷却系统的设计提供了参考。

基于遗传算法的悬浮电磁铁磁热耦合参数优化

中低速磁浮列车依靠悬浮电磁铁产生电磁吸力,实现悬浮和导向,针对悬浮电磁铁结构参数设计问题,提出一种基于磁热耦合仿真的方法对悬浮电磁铁进行优化研究。通过对电磁铁结构分析,提出对悬浮电磁铁进行内扣和外扣两种方式,并分别建立三维有限元参数化计算模型,分析其主要发热源和热流量计算方法。在电磁铁温升不超过设定值的情况下,以提升悬浮电磁铁的浮重比为目标,采用遗传算法对结构参数进行寻优求解。仿真试验结果表明,在保证悬浮力达到要求的情况下,所提方法对电磁铁进行内扣操作后,其质量减少43%,进行外扣操作后,电磁铁质量减少58%,并且电磁铁的稳态温升没有超过设定值。所提出的设计方案更加符合实际,为后续设计提供一定的参考依据。

基于电磁-热场耦合的10 kV电缆接头仿真分析

电缆接头作为电缆系统中的绝缘薄弱环节,在制造和长期运行过程中可能会形成绝缘缺陷,导致电缆绝缘发生电气或热击穿,进而造成电力系统故障。采用多物理场仿真软件构建了10 kV交流XLPE电缆接头的三维仿真模型,模拟了电缆本体与接头周围的电场、磁场及热场分布,分析了造成电缆本体与接头处不同电磁-热场分布的原因,为电缆接头的优化设计提供了参考依据。

磁热双向耦合内置式电磁感应加热辊的设计与仿真

对磁热双向耦合内置式电磁感应加热辊进行设计与仿真分析,根据麦克斯韦方程和温度微分方程,分别建立电磁场和温度场数学模型,通过磁热双向耦合方式进行求解。利用有限元仿真软件设计正交试验,研究线圈与辊内壁间距、电流大小、电流频率、线圈匝数对升温时间和温度均匀性的影响,并通过反向传播神经网络得到最佳参数组合。结果显示,线圈与辊内壁间距16mm、电流大小105A、电流频率11.7kHz、线圈匝数104为最佳参数组合,此时升温至平均温度250℃的时间为784s,温度均匀性为1.7527。

继电器电磁机构电磁-热耦合模型建立与计算方法

继电器电磁机构的动态特性受其本身发热及环境温度的共同影响,在仿真时忽略以上因素会导致结果准确性降低。为解决该问题,通过分析动态特性和热场计算的数学方程,提出一种基于有限元仿真的电磁-热耦合建模方法。该方法旨在通过Flux与Simulink联合仿真,结合相似原理、电阻温度系数和J-A模型,建立一个综合考虑传热学系数、线圈电阻和软磁材料性能的耦合仿真模型。以大功率直流继电器GL200为例,运用耦合建模方法,对不同环境温度和反复短时工作状态下电磁机构动态特性进行仿真分析,并通过与实测数据的对比,证明电磁-热耦合模型仿真结果比忽略温度的模型仿真结果更加合理。

电磁-热-流弱耦合的变压器绕组温升研究

绕组热问题的研究涉及到电磁学、流体动力学和数值传热学等学科,当前国内外学者未考虑变压器整体油流分布对绕组温升的影响。基于电磁-热-流弱耦合分析法,通过对变压器整体油路三维有限体积分析和绕组杂散损耗有限元数值分析,确定绕组温升数值分析的边界条件,计算绕组区域的温度场,研究绕组区域的铜—油温升和油流分布,考虑分析了不均匀油流分布下绕组区域的散热情况。以提高测温点数量与减小光纤对油路影响为前提,设计进行了高压绕组光纤测温实验,对比实验值与数值分析值,所得误差均在±3.5%以内,证明了耦合方法可直接应用于电力变压器绕组冷却系统的设计与优化。

油浸式变压器三维电磁-流体-温度场耦合分析方法

提出了一种基于有限元法和有限体积法的变压器三维电磁-流体-温度场耦合分析方法。通过建立变压器三维模型,采用有限元法分析变压器内磁通密度分布,并求得变压器及绕组损耗。将变压器铁芯及绕组损耗作为热源,采用有限体积法求解变压器流体-温度场,分析变压器内部油流及温度分布,同时根据温度场结果对变压器损耗进行修正,通过迭代求解变压器流体-温度场获取变压器内部最终温度分布结果,提高求解精度。采用所提方法对35 k V油浸式变压器进行三维电磁-流体-温度场分析,将结果与经验公式的热点温度计算结果进行对比,验证了所提方法的有效性和正确性。