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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于修正电磁散射系数的距离频域脉冲相干法SAR回波仿真

针对传统合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)回波仿真方法无法同时满足仿真精度高、速度快的缺点,设计了一种利用距离历程修正电磁散射系数的距离频域脉冲相干法(Range Frequency Domain Pulse Coherence,RFPC)目标回波仿真方案。该方案在离散方位采样点处采用物理光学法计算关于目标电磁散射特性的二维电磁散射系数,利用天线相位中心与目标间的距离历程修正电磁散射系数的相位,根据脉冲信号3 dB波束宽度修正电磁散射系数的幅度,利用RFPC在距离频域进行目标电磁散射系数与SAR发射信号的乘积处理,获取目标的二维回波信号,采用RD成像算法进行成像处理得到目标的SAR仿真图像。利用该方案分别对金属球和舰船模型进行了回波仿真试验,并与RaySAR的仿真结果进行对比,验证了该方案的精确性与高效性。

新型电力系统电磁暂态加速仿真技术

为解决新型电力系统电磁暂态仿真时由于系统拓扑结构复杂、电力电子开关器件较多以及仿真机单核计算能力不足导致的仿真效率低下、仿真难度大等问题,文中采用理想变压器模型分割算法将大规模新型电力系统模型分割成若干子系统,实现了大系统的解耦和降阶,有效减少了仿真时整个系统作为一个状态空间系统矩阵的运算量。为进一步减轻单个处理器的计算负担,利用CPU(Central Processing Unit)多核并行技术设计一款在裸机环境下高效并行运算的加速仿真平台UREP300。将分割后的模型载入UREP300进行加速仿真实验,同时与基于MATLAB/Simulink的原模型离线仿真进行对比。实验结果表明,融合理想变压器模型分割与多核并行运行的加速仿真技术能够在保障仿真精度的同时将仿真速度提升至原来的586倍,可显著提高仿真效率,适用于大规模新型电力系统的仿真工作。

碳纤维拉索缺陷的电磁层析成像有限元仿真

碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀和抗疲劳等优点,是大跨度结构拉索的理想型材料。本文基于电磁层析成像技术采用有限元方法对碳纤维拉索的断股和脱粘缺陷进行仿真研究,设计了一种8线圈圆周型传感器阵列,探究了传感器尺寸、激励电流大小与磁感应强度的关系,根据仿真电磁信号研究了LBP算法、Tikhonov算法和Landweber算法3种重建算法对不同拉索缺陷重建图像质量的影响。结果表明,在研究范围内随着传感器线圈直径的减小和激励电流的增大,磁感应强度逐渐增大,并在线圈直径为5 mm和激励电流为1 A时达到最大值;与其他图像重建方法相比,Tikhonov算法能够更好的平衡图像重建效果和成像质量,更适用于碳纤维拉索缺陷检测图像的重建过程。此外,在传感器阵列固定的情况下将拉索缺陷旋转,分析了不同投影角度对缺陷成像效果的影响。本研究旨在为实验条件下碳纤维拉索的传感器阵列设计和缺陷检测成像提供参考依据。

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。

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。

基于电磁计算的同时极化雷达成像仿真

雷达信号的电磁(EM)仿真对新体制雷达技术的研究具有重要价值。文中针对新体制同时极化雷达(SPR)回波信号开展EM仿真,提出了快速仿真方法,并在此基础上进行了高分辨雷达成像。首先,利用FEKO构建了雷达目标在4π空间里所有入射角度下的宽带全极化EM散射数据库;接着,在推导SPR目标回波信号模型的基础上,基于优化最小化方法以最小化互补积分旁瓣电平为准则设计了H、V发射通道的正交互补序列波形。最后,根据实际雷达对目标的视角和频率范围以调用数据库的方式“装配”得到相应的雷达回波信号。为了进一步验证所提方法,该文以F22模型为例开展了SPR成像仿真实验,并通过Pauli分解分析了幅相误差对目标极化散射特性测量的影响。

微牛级电磁力标定装置仿真与测试研究

如何获得高精度标定力是微牛级推力测量的重要基础。本文构建了C型磁路结构和矩形线圈组合方式以产生高精度宽范围电磁标定力。利用有限元方法分析了该装置特征区域磁场分布,对矩形线圈与磁体相对位置影响进行了讨论,最后搭建标定实验平台并进行标定实验。得到主要结论:在特征区域范围内磁场分布均匀性较好,最大差异率仅为0.7%;电流在10μA~20.2 mA范围调节时,电磁力标定范围为0.097~237.32μN,实验测量数据与仿真结果最大误差为1.73%;当线圈电流分辨率为10μA时,标定力实测分辨率优于0.1μN。

新型电力系统电磁暂态并行仿真关键技术及展望

在“碳达峰、碳中和”战略目标驱动下,电力系统逐渐发展成为高比例新能源并网和高比例电力电子设备接入的新型电力系统,其电源结构、电网形态和运行特征发生了显著变化。电磁暂态仿真由于能够全面、精确刻画电力系统的高频动态特性,已成为掌握新型电力系统运行特性的关键手段。然而,传统串行计算模式下的电磁暂态仿真技术在仿真效率上无法应对新能源大规模并网、交直流复杂耦合的仿真场景,亟需从高效并行算法和硬件加速角度出发,开展并行计算模式下的电磁暂态仿真相关研究。为此,首先概括了新型电力系统对电磁暂态仿真的新需求;其次,介绍了电磁暂态仿真的分网并行算法;再次,介绍了能够进一步提升电磁暂态仿真效率的多速率仿真方法;接着,介绍了基于并行计算设备的并行仿真实现方案;最后,梳理了国内外电磁暂态仿真平台的并行策略,总结指出算法硬件深度融合的仿真平台是未来的发展方向,并对其中的关键技术进行分析和展望。

基于CST的车辆线束电磁脉冲效应仿真研究

针对等效线束法建模难、计算效率低的问题,探讨了车辆线束在电磁脉冲辐照下不同参数的耦合效应,以提高仿真效率,并分析了车辆线束中相关参数对线束电磁脉冲耦合的影响。首先,分析了车辆线束数量对线束电磁耦合效应的影响,通过控制变量法,改变线束中的线缆数量,观察线束中耦合电压的最大值。然后,改变线缆尺寸和负载电阻,观察线束中耦合电压电流最大值的变化。仿真结果表明,耦合电压的峰值随线缆数量的增大而减小,随线缆尺寸的增大而增大,并且都呈线性变化;耦合电流的峰值随负载电阻的增大而减小,呈幂级数关系。最后,结合仿真结果,对不同参数下的最大耦合电压电流进行拟合,得出其之间的关系,为车辆线束的电磁防护工作提供参考。