电磁波极化转换虚拟仿真实验教学探究

利用全波电磁仿真软件(CST)对电磁波极化转换进行虚拟仿真实验教学。相较于传统的双折射率各向异性材料电磁波极化转换器,基于超表面的电磁波极化转换器具有设计灵活、厚度薄和带宽宽等优点。通过系统介绍电磁波极化转换原理、超表面单元与阵列设计、电磁波极化转换中电场与电流分布,使得学生能够形象直观理解电磁波极化的概念,掌握电磁全波仿真的基本方法与流程。

媒质分界面电磁能量守恒的仿真与实验

为了对电磁波在介质板附近的能量守恒实验进行理论上的指导,对电磁波反射与折射实验中的能量守恒进行了分析。对无限大介质板的反射与折射和介质板处的能量守恒进行了理论计算,对实测结果进行了分析,并利用电磁仿真软件对实验进行了仿真。将仿真结果与理论结果和实验测试结果进行了对比分析,结果表明实验测试结果与实验的仿真结果更为接近,与无限大介质板的理论结果有较大的差距。

适应并离网模式切换的DFIG电磁暂态仿真建模

目前,常用的商业仿真软件中的双馈式感应发电机(double-fed Induction Generator,DFIG)模型通常不支持离网运行模式,难以实现风力发电系统由离网到并网的全过程电磁暂态仿真,对电力系统仿真分析工作带来极大不便。研究适应并离网模式切换的DFIG电磁暂态仿真建模方法。基于模块化思想分别对风力机、异步电机、变流器以及断路器进行建模,在系统组装形成DFIG风力发电系统电磁暂态仿真模型。提出了适应并离网模式切换的DFIG受控源等效电路模型和离散时间域实现方法,通过设计状态变量矩阵元素的截取和扩充算法实现了模型在并离网模式下的无缝衔接。在MATLAB/Simulink中搭建DFIG发电系统模型对所提方法和模型进行验证,仿真结果表明,所提建模方法能够很好地支持DFIG离网运行模式,实现DFIG由离网到并网的全过程电磁暂态仿真。

基于建构主义的电磁场虚拟仿真实验教学设计与实践

电磁场是电气工程专业的基础课程,在实际教学过程中,存在实验课程与理论课程脱节、脱离工程实际、教学效果不理想的问题。根据国家一流课程建设“两性一度”要求,该文结合建构主义和教育心理学教学方法将虚拟仿真技术应用于电磁场教学,建设虚拟仿真实验平台,讨论教育建构主义的电磁场虚拟仿真实验教学设计与教学方法,突破实验教学对客观条件的依赖性,激发学生的学习兴趣和探索求知的热情,提升高校实验教学水平和人才培养质量。

圆筒型直线电动机偏心动子的力学建模与电磁仿真

为了研究偏心故障对圆筒型直线电动机性能的影响,基于麦克斯韦理论建立了圆筒型直线电动机偏心状态下的单边磁拉力数学模型。通过Maxwell软件对偏心状态下的电动机建模,对比了不同偏心距和偏心角下电动机电磁场和动子受力的变化。结果表明,随着偏心距的增大,动子受到的单边磁拉力线性增加,当偏心距增加至0.8时,单边磁拉力高达847.41 N;转矩随着动子倾斜偏心角增加而增加,当偏心角为0.8°时,转矩达到1.66 N·mm,但偏心角增加对动子受力影响不大。

汽车发动机电控燃油系统电磁阀特性仿真

为了定量分析电磁阀参数对其动态响应特性的影响,基于电磁理论建立了电磁阀的数学模型,并使用仿真模型开展了仿真研究。模拟了电磁阀在恒电压驱动下的动态响应过程,研究了驱动电压、初始气隙、弹簧预紧力和线圈匝数四个参数对电磁阀动态特性的影响,给出了电磁阀在不同参数下的位移变化曲线,从理论上确定了电磁阀的动态响应特性与其结构参数和控制参数之间的关系,为电磁阀的参数匹配及电控燃油系统的优化设计提供了依据。

新能源电力系统细粒度并行与多速率电磁暂态仿真

随着可再生能源的快速发展,电力系统设备类型越来越多,系统振荡特征越来越复杂,对电磁暂态仿真的精度和效率提出了更高要求。基于大规模集成电路设计中所使用的延迟插入法(LIM),提出了新能源电力系统的细粒度建模方法,并结合图形处理器(GPU)的资源优势,实现了算法的并行求解。所提方法将传统交流电网与电力电子设备进行解耦,并基于混合数值稳定性判据和局部截断误差的方法确定了各子系统的步长。然后,通过插值实现了新能源电力系统的多速率仿真。最后,基于GPU硬件平台,以含新能源接入的改进39节点系统为例验证了所提方法的精度,并以不同规模的新能源接入、不同仿真步长的组合验证了所提方法在仿真效率方面的优势。

基于车用永磁同步电机转子结构的电磁噪声优化仿真分析

针对目标电机低速加速段中存在明显类似“口哨”的高频噪声的问题及电机量产降本原则,将48槽8极峰值功率62 kW的乘用车前驱动电机作为案例进行电磁方案设计。基于设计指标及存在问题设计了定子结构相同内置式转子拓扑结构不同的优化方案,推导计算了两电机方案气隙磁场幅值波形时空分布方程及电磁力表达式,建立了两电机方案有限元模型及电磁-结构声场耦合模型,仿真分析比较两电机气隙磁密及径向电磁力谐波含量。基于仿真结果得到优化方案,在不牺牲电磁性能的前提下削弱了低速段加速过程的0阶6f1径向电磁力,并使磁钢用量从1.474 kg降低到了1.371 kg,实现了降本目的。最后分别制作样机进行实验验证,结果表明优化方案明显削弱了低速段径向振动,降低了24倍频电磁噪声,与仿真结果相吻合。

从抽象到直观:虚拟仿真实验在电磁学教学中的应用

电磁学作为物理学和应用物理学专业的核心基础课程,存在着理论课与实验课难以紧密结合的教学难点。基于此,文章以带电粒子在磁场中运动的探究型教学设计为例,提出在教学中引入虚拟仿真实验的教学模式,并介绍了虚拟仿真实验的应用,即采用不同的软件和媒介工具在理论课教学中针对不同的侧重点加入互动性元素进行教学。该教学模式能为学生提供生动、直观、有趣的学习体验,增加理论学习的互动性和趣味性,提升教学效果。

电工装备低频电磁仿真中若干关键问题研究现状及趋势

低频电磁场仿真是电气装备智能化的基础核心技术。该文基于计算电磁学自20世纪60年代以来的发展历程,讨论了低频电磁场仿真中若干关键问题的发展现状,展望了当前数值仿真领域的发展趋势。首先,介绍了低频电磁场计算基本方程及数值离散方法;其次,对低频电磁场计算中材料建模的均一化、各向异性、磁滞模型等方面开展了分析和探讨;随后,针对空间多尺度、趋肤效应、开放边界以及变形与运动对低频电磁场仿真中网格和离散格式的特殊性进行了阐释,分析了当前电磁-力-热多物理耦合中的关键问题,介绍了数字孪生模型构建中基于物理模型和数据驱动的建模方法及近期工作;最后,对数值仿真在优化设计、人工智能、新一代仿真软件等方面的发展趋势进行了分析和展望。当前,多尺度多物理耦合建模仿真方法仍是电磁场计算领域的研究重点。传统数值仿真与新兴计算技术、人工智能的结合愈加紧密。智能制造和数字孪生等前沿需求下,电磁场计算面临高效迭代仿真和实时仿真的挑战,由物理模型和数据共同驱动的替代建模是解决这两方面挑战的重要手段。工业CAE仿真软件架构正在发生着深刻变革,迫切需要我国自主CAE仿真软件核心技术及应用生态的提升。

微加速度计电磁力反馈系统设计与仿真分析

针对电容式加速度传感器的闭环控制需求,设计了一种电磁反馈系统,以满足用于惯性导航的高精度加速度传感器的需求。该系统保证了加速度传感器具有高机械灵敏度的同时,还能拓宽其量程。建立了电容式微机电系统(MEMS)加速度传感器的闭环控制模型,并对电磁结构进行了有限元分析。仿真结果表明:线圈电流为277.3μA时,电磁力达到了1.509 mN。当输入反馈电压为-19.1~19.1 mV时,反馈系统能实现加速度传感器在±5g(g=9.8 m/s^(2))范围内的闭环控制。计算表明加速度传感器敏感结构的机械噪声为1.22×10^(-8)g/Hz^(1/2)。利用Simulink分析可知,在±5g范围内,电容式MEMS加速度传感器闭环控制系统的反馈电压与输入加速度具有良好的线性关系,其灵敏度为3.8 mV/g。

新型省级电网电磁暂态实时仿真建模方法

为了解决大规模省级电网电磁暂态仿真效率低下的问题,研究了一种适用于省级电网的电磁暂态实时仿真建模方法。分析了大电网电磁暂态建模难点,通过子系统建模和任务优化方法建立了省级电网模型,对各子网内部进行功率调节,实现了首次功率平衡;基于输电线路模型法原理完成了各子网之间输电线接口的联络,在预设平衡点的基础上,通过在线调节潮流的方法使得所建模型运行在合理平衡点上。为验证该方法的有效性,基于自主研发的实时仿真器(universal real-time experimental platform,UREP-300)对某新型省级电网进行实时仿真。仿真结果表明,所提方法能提高仿真效率,扩大了系统的仿真规模,减小了实时仿真机的计算负担,可为各类大规模系统的仿真与建模提供一种参考。

轴承套圈电磁无心磨削成圆误差解析和仿真

针对电磁无心磨削成圆过程和磨床加工性能的高精度预测和分析,研究了轴承套圈电磁无心磨削成圆误差的生成机制。建立以几何条件、加工参数和机床刚度为参数的,包含几何误差、静态误差和动态误差的解析方程,通过利用成圆误差方程对轴承套圈表面圆度误差进行迭代,可以在时域范围内对轴承套圈表面圆度误差的再生过程进行数值仿真,提供了一种预测轴承套圈表面圆度误差变化的仿真模型,为有效预测磨削性能和轴承套圈成圆过程提供了可靠的分析手段。通过同步仿真与实验条件参数,得到的仿真结果与实验结果的相对误差为8.04%。结果显示,所建立的综合模型可以完成成圆过程的分析并预测工件最终轮廓。

空中目标动态电磁散射数据仿真系统设计与实现

电磁散射数据是目标识别研究的基础,但由于试验测量成本高、可重复性差等问题,空中目标电磁散射实测数据十分有限。基于去遮挡的N点模型和电磁计算数据插值研究了空中目标动态电磁散射数据仿真方法,设计了空中目标动态电磁数据仿真系统,该系统将电磁散射仿真与实际飞行场景相结合,支持场景自定义和空中目标三维模型库扩展。分析了飞机和巡航导弹2类目标仿真数据及成像结果,结果验证了仿真方法正确性和系统有效性,可为研究实际场景下的空中目标识别提供支撑。

基于电磁散射模型的海上舰船双基SAR图像仿真

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)在地海环境遥感和目标探测识别中发挥着重要作用。相对于单基SAR,双基SAR能够通过调整发射机和接收机的角度对场景进行多方位观测,因此开展海上舰船目标双基SAR图像仿真可为非合作目标的特征研究和探测识别提供方法和手段,在目标探测识别方面有着重要意义。为此,本文利用基于面元化的简化小斜率近似(facet-based simplified small slope approximation,FBS-SSA)方法与几何光学/物理光学(geometrical optics/physical optics,GO/PO)混合方法,提出了一种基于电磁散射模型的海上舰船目标复合场景双基SAR图像仿真方法,实现了不同双基角下的海上舰船SAR图像仿真,并分析了雷达飞行方向与舰船角度、发射机和接收机相对位置、极化、海况对雷达图像的影响。结果表明,双基角、极化、舰船朝向都会对双基SAR图像产生较大的影响,因此可以通过获取不同双基角度下的复合场景SAR图像特征从而可以更好地开展舰船识别。此外,SAR图像中的阴影特征也可作为舰船识别的辅助手段。

新能源发电设备接入的电磁暂态仿真研究

构建由风力机模型、双馈感应电机模型及传动系统等构成的双馈风力发电机组(DFIG)为新能源发电设备代表,进行考虑新能源发电设备接入的电磁暂态仿真研究,深度剖析DFIG接入后的电网系统平稳运行以及电压跌落状态下的电磁暂态响应。

航空航天用电磁离合器磁场优化设计与仿真

为优化航空航天用某型号电磁离合器的磁场性能以满足某项目要求,文中对其磁场部分运用数值计算方法进行了优化设计,并运用ANSYS Workbench根据航空航天环境对磁轭进行了模态分析,根据优化设计相关数值对摩擦片与衔铁进行了静力学分析。研究结果表明,原先离合器扭矩为,而优化后的磁场可产生的电磁力,电磁离合器转矩容量为,在此条件下的零部件机械性能可满足项目需求,验证了优化该电磁离合器磁场的合理性与可行性。

基于电磁仿真的冷坩埚电源参数优化

针对实验成本高昂且影响参数庞杂等问题,文中利用COMSOL仿真软件建立φ100 mm冷坩埚实验装置的磁场仿真模型,开展高频电源以及线圈参数的仿真实验,并利用神经网络和模拟退火算法对最优高频电源参数组合进行预测。针对不同电流强度、频率、线圈高度、匝数、直径、间距条件下的冷坩埚磁场分布、涡流损耗以及能量利用率变化规律进行仿真实验。以仿真结果为学习样本的神经网络,可快速预测各种电源参数下的磁场和涡流损耗等数据。利用模拟退火算法预测最优电源参数组合。仿真结果表明,在参数优化后可保证在磁场强度和加热效率不变的前提下提高磁场均匀程度和熔制效果,并使能量利用率提高了68%,避免了能量浪费。初步验证了高频电源以及线圈参数优化对磁场分布和能量使用效率的改善效果,可为后续冷坩埚工程样机的电源参数与线圈参数的优化设计提供重要依据。

适用于级联型电力电子拓扑电磁暂态仿真的N端口网络通用等效建模方法

级联型电力电子设备复杂的拓扑结构给电磁暂态仿真带来巨大的计算压力。常见的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的等效建模方法相对成熟。然而,近年来出现大量复杂的新型级联型拓扑,目前仍缺乏通用的等效建模方法。为此,该文提出一种适用于任意拓扑N端口子模块、以任意级联方式组成的电力电子设备通用等效建模方法,利用状态空间表达式的形式将原始电路经数值积分代换后的端口特性提取出来,再根据得到的状态空间表达式反向构造等效电路模型。算例分析表明,所提方法不仅能消去子模块内部节点、提升仿真效率,还可自定义子模块拓扑结构和级联方式,相比传统等效建模方法更加灵活、通用,已有的MMC等效建模方法可以视为本文所提通用方法的一种特例。

基于轻量化混合门结构神经网络的变压器电磁场仿真方法

针对传统电力变压器电磁场仿真模型需要占用大量磁盘空间,运行功耗大,运算极为消耗计算资源等问题,提出一种基于轻量化混合门结构网络(lightweight hybrid gate recurrent unit network,LH-GRUNet)的变压器电磁场仿真方法。首先针对单相E芯变压器设计了一种混合门结构网络模型,实现了变压器铁芯和绕组的电磁场仿真;进一步,提出一种神经网络轻量化方法,通过删除模型全连接层中的冗余参数以压缩模型所需的存储空间与计算资源,最终实现变压器电磁场的低功耗、快速仿真。此外,基于LH-GRUNet的变压器电磁场仿真模型能够有效降低其运行所需的存储空间与计算资源,使其能够在几乎不损失模型精度的前提下应用于体积小、功耗低的边缘计算平台。