大规模工程电磁场的亿自由度可扩展并行计算方法

精确和快速的电磁场计算,是电工装备精细模拟和优化设计的基础。该文在高性能云平台的高速互联弹性集群上开展可扩展并行计算研究,使用OpenMpi作为消息传递库,选取的区域分解算法为对偶原始有限元撕裂内联(FETI-DP)法,通过改进主从/对等的并行程序框架实现电导率不变时涡流场磁矢势A的并行计算,在降低编程复杂度的同时提高了并行计算效率。使用C语言编写程序,用国际TEAMProblem7基准问题验证可扩展并行计算方法。该文将主从/对等并行程序框架和对偶原始有限元撕裂内联(FETI-DP)法引入电磁计算领域,提高了并行计算效率和可扩展性,为大规模工程电磁场计算提供了一种新的实践和理论方法。

基于竞争失效的低压开关电器可靠性建模方法研究

低压开关电器在其运行过程中同时存在退化失效模式和偶然失效模式,两者实质上是竞争失效的关系。根据低压开关电器失效模式和失效规律的特点,提出基于竞争失效的低压开关电器可靠性建模方法,解决低压开关电器难以实现全面可靠性评估的问题。将累积电弧侵蚀量作为退化特征量,采用带漂移的一元线性维纳(Wiener)过程描述电性能退化过程,采用指数分布描述偶然失效。首先仿真产生偶然失效寿命,并基于Wiener过程仿真产品累积电弧侵蚀量,得到产品的竞争失效寿命,然后建立基于竞争失效的低压开关电器可靠性模型,采用极大似然估计方法进行模型参数估计,最后在不同失效情况下进行基于退化失效、基于偶然失效和基于竞争失效建模方法的可靠性评估,实现不同失效情况下的低压开关电器可靠性评估。通过模拟试验从理论上验证了基于竞争失效的低压开关电器可靠性建模方法能够全面、客观和准确地评估产品可靠性,并且在不同的失效情况下可以根据实际需求选择不同的可靠性建模方法,对低压开关电器可靠性分析具有指导意义。

分裂齿集中绕组永磁游标电机电磁转矩特性分析

为了研究分裂齿集中绕组永磁游标电机(PMVM)的电磁转矩特性,基于磁场调制原理建立PMVM的磁动势磁导模型,给出永磁体和电枢绕组单独作用下气隙磁密谐波的次数和转速表达式,分析产生平均转矩和转矩脉动的谐波次数。采用麦克斯韦应力张量法计算各主次谐波产生转矩的大小,确定各主次谐波对电磁转矩的影响。通过有限元分析对结果进行了验证。结果表明:PMVM的电磁平均转矩绝大部分由16次谐波产生,占比98.83%,转矩脉动主要由16、34、48次谐波产生,占比52.29%。PMVM电磁平均转矩的来源主要为永磁体产生的气隙磁密基波,因此可改变永磁体的用量和形状增大其产生的气隙磁密基波以提升PMVM电磁转矩性能。

电磁式漏电断路器的空间磁场抗扰分析及屏蔽结构设计

漏电断路器作为低压配电系统中重要的保护装置,主要用于防止漏电火灾事故发生和保护人身触电安全。电磁式漏电断路器在受到外界磁场干扰时,会引起漏电保护工作特性的变化甚至损坏。通过分析电磁式漏电断路器工作特性,发现磁脱扣器对外界磁场最为敏感,平行于磁脱扣器磁路平面方向的外界磁场对其影响最大;进行了漏电断路器内部导体结构的最优设计,内部导体与磁脱扣器磁路在同一平面内时导体中负荷电流产生的磁场对磁脱扣器的影响最小;设计了一种用于降低磁场干扰的磁脱扣器屏蔽罩,并分析了不同导磁屏蔽材料及结构等对其屏蔽效果的影响。通过对电磁式漏电断路器内走线的优化设计和磁脱扣器的磁屏蔽设计,有效降低了外界磁场和内部负荷电流对电磁式漏电断路器的影响,提高了其抗空间磁场干扰的能力,并通过了实验验证。

棒状铁镓合金磁特性测试装置的设计与实验

磁致伸缩水声换能器作为电-机械-声能量转换器件是声呐系统中重要的大功率电磁装置,其核心驱动元件铁镓合金棒需工作在高频(f>1 kHz)激励条件下,为对此类高频大功率磁致伸缩器件的优化设计提供指导,需要准确测试棒材的高频磁特性。以往的测试装置由于高频激励时导磁回路铁损大、励磁回路电阻抗高以及棒材磁导率低等特点,难以保证铁镓合金棒内获得均匀且数值较高的磁通密度。该文基于电磁场理论设计了一种棒状铁镓合金高频高磁通密度磁特性测试装置,首先根据电磁损耗机理选择高频磁心材料并利用参数化扫描的方法优化其尺寸参数,在此基础上,建立三维有限元模型仿真计算棒材内部磁场大小及分布;然后以提高电磁转化效率为目标,设计测试装置的电路部分并依据串联谐振原理进行阻抗匹配;最后制作样机并进行实验测试。结果表明,该测试装置在1 kHz下,磁通密度幅值最高可达0.89 T,比常用的AMH-1M-S动态磁特性测试仪(最高可提供0.1 T磁通密度幅值)提高约9倍,且操作简单、稳定可靠。

用于测厚和裂纹检测的正交横波电磁超声换能器仿真分析及实验研究

垂直入射的横波在测厚时具有较高的灵敏度,但检测裂纹常需采用斜入射方式,单个换能器无法同时进行这两种检测。该文设计了一种正交横波电磁超声换能器(EMAT),通过两个蝶形线圈在铝板中激发正交偏振的横波,提出在脉冲回波模式下利用两个线圈接收信号的声时信息和幅值差,同时进行测厚、检测裂纹并确定裂纹方向的方法。建立正交偏振EMAT三维有限元模型,对横波声场与裂纹缺陷的相互作用进行仿真,研究线圈间距、裂纹尺寸对正交声场和信号幅值差的影响。仿真和实验结果表明:正交横波EMAT通过一次检测可以同时实现测厚、裂纹检出及裂纹方向定位,为腐蚀减薄和裂纹等缺陷的在线检测提供了新方法。

考虑任务剖面的模块化多电平换流器可靠性评估方法研究

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMCs)的高可靠性是确保整个柔性化直流输电系统安全可靠运行的关键。由于实际MMC系统受风能等新能源的随机性、间歇性影响,IGBT结温长期处于剧烈波动状态,常规电力电子设备可靠性评估方法已无法满足换流器设计的高可靠性要求。文中提出一种考虑任务剖面的MMC系统可靠性评估方法。首先,基于实测风速数据分析风电场接入的25MW MMC系统运行工况下一年的输出功率,同时在功率器件结温预测中考虑基频结温波动的影响;通过雨流算法进行热荷载统计,以便于应用寿命模型,从而得到功率器件静态累积损伤。考虑寿命模型参数和器件参数的随机性和波动性,采用Monte-Carlo仿真建立器件寿命分布模型;以子模块中器件级可靠性分析为基础,通过可靠性方框图建立系统级可靠性模型,进而对不同冗余子模块的MMC系统进行可靠性分析。研究结果表明,本方法可为MMC系统可靠性量化评估和系统高可靠性设计提供理论指导。

镓基液态金属柔性叉指阵列电容传感器设计及实验测试

为解决传统叉指电容传感器采用铜和印制电路板打印制备无柔性、难以贴合不平整被测物表面等问题,提出了基于镓基液态金属的柔性叉指阵列电容传感器设计方案。考虑电极层和基板的影响及叉指阵列结构的影响构建传感器数学模型,确定传感器的各项参数。利用镓基液态金属制备柔性叉指阵列传感器,对其进行实验标定和输出特性测试,并将其应用于材料材质识别研究。测试与仿真结果表明,该柔性叉指阵列电容传感器具有良好的柔性、灵敏度和输出特性,具有应用于材料材质识别的应用潜力。

三相磁保持继电器短路电动力不一致性分析

针对三相磁保持继电器各相电动力不一致的问题,进行了相间磁场影响下的短路电动力研究。建立了三相触头系统电磁仿真模型,通过计算单相短路与三相短路工况下的电动力,得到了电动力的数值变化规律,分析了导电杆距与等效力臂长度对电动斥力峰值的影响,并设计了三相电动力仿真计算App。结果表明,相间磁场主要对回路力的数值产生影响,对Holm力影响极小;在三相短路工况下,B相所受的电动斥力峰值最大;减小相间距与增大等效力臂长度均有益于减小电动斥力。该研究可为三相触头系统优化设计提供参考。

小型断路器可靠性试验方案的分析

在小型断路器可靠性试验方案国家标准中,对同一失效率(或成功率)等级下抽样方案有多种。抽样方案的选取直接决定了产品的接受概率,从而影响到其经济效益。通过不同方案下的OC曲线对比、辨别力的计算以及生产者风险的比较,对方案做出了评价,并进行了误差分析。根据不同的要求,为选择最合理的抽样方案提供了理论依据。

考虑PWM波形特征的纳米晶磁心损耗模型的研究及验证

磁心损耗精确预测对于电力电子变压器的优化设计至关重要。然而,传统的磁心损耗模型在复杂激励下适用性较差,尤其对于占空比可调、高次谐波含量丰富的PWM波磁心损耗预测,计算精度显著下降。基于Jordan损耗分离模型,建立了一种考虑PWM波形特征的磁心损耗计算方法。首先,该方法根据激励波形特征,推导出相应的波形系数及等效频率来计算PWM波激励下的动态涡流损耗,将Jordan模型的适用范围从正弦拓展到PWM波激励下的磁心损耗计算;然后,分析了不同占空比激励下激励波形有效频率及高次谐波含量变化对损耗系数的影响,并对其进行数学表征,实现了整个占空比范围内磁心损耗的精确预测;最后,搭建了高频非正弦激励下软磁材料磁特性测量平台,针对1K107B纳米晶材料,测量了两种典型PWM波激励下的损耗数据。实验结果表明,所建立的磁心损耗模型具有较高的计算精度,相比于传统的Steinmetz改进公式,整体精度提高了25%。

基于阻抗在线测量的锂离子电池过放电诱发内短路识别研究

锂离子电池的过放电行为可诱发内短路进而可能导致热失控。由于单体电池一致性差异和过放电导致的内短路初期电、热特征不明显,使得电压和温度等常规物理参数难以可靠实现故障预警,而阻抗可以反映电池内部信息,对故障状态具有较好的指示能力。该文通过分析锂离子电池过放电诱发内短路引起阻抗变化的机理,基于设计的阻抗在线测量装置,确定用于监测电池内短路故障的特征阻抗频率为70 Hz,获取过放电诱发内短路过程中特征频率下动态阻抗及阻抗变化率,提出一种基于动态阻抗特征的内短路在线识别方法并验证了方法的可靠性。实验结果表明,锂离子电池放电过程中动态阻抗半正弦变化特征可提前约144 s实现过放电预警,动态阻抗针状变化特征可提前约152 s实现内短路故障预警,动态阻抗明显回升特征可作为内短路发生的标志。此外,阻抗变化率特征有助于实现锂离子电池故障识别及预警,该方法在锂离子电池故障在线快速诊断中具有重要的应用潜力。

基于等效复数磁导率的利兹线绕组损耗计算模型

绕组损耗是高频变压器总体损耗的重要组成部分,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键性参数。由于利兹线的高频损耗小而广泛应用于高频变压器绕组,但其复杂的三维扭转结构导致准确、快速地计算绕组损耗十分困难。解析方法需要进行简化和近似处理,难以准确地表征绕组的高频涡流特性,有限元数值方法需要对每匝绕组精细化建模,导致计算资源耗费严重。采用具有等效复值材料特性的区域替代绕组区域的均匀化技术,能够实现二维磁场对涡流效应的表征,降低了精细化建模的计算成本。但等效区域的材料特性需要利用数值方法获得,增加了计算的复杂性。因此该文通过分析利兹线损耗机理,考虑利兹线截面形状对等效区域材料特性的影响,实现了圆形利兹线绕组等效复数磁导率的明确解析描述。建立了圆形利兹线绕组损耗计算模型,验证了等效复数磁导率计算邻近效应的准确性,实现了较宽频率范围内绕组损耗的准确预测。

用于纹理识别与重建的铁镓合金触须传感器阵列

受动物触须传感机制的启发,结合铁镓合金(Galfenol)对物体表面纹理高度信息的优良感知能力,设计制作一种铁镓合金触须传感器单元,并将其集成为4×2阵列。基于力学、电磁学理论和压磁方程建立了传感器单元输出电压模型,描述了输出电压与物体表面纹理高度的关系。实验测试了传感器单元的静态和动态特性。设计的传感器单元能够检测物体表面0.01~1.6 mm纹理高度变化,灵敏度为243.3 mV/mm,且具有较快的响应时间(26 ms)和恢复时间(25 ms)。将传感器单元与阵列装载在机械手上滑过具有不同纹理的样品表面,利用输出电压波形可识别与重建样品表面纹理。结果表明,设计的传感器阵列能够高精度地感知物体表面纹理信息,进而指导机械手调整操作策略,完善人机交互过程。

一种基于ISBO算法的锂离子电池等效电路模型辨识方法研究

锂离子电池等效电路模型的参数辨识方法对模型精度有较大的影响。针对缎蓝园丁鸟优化SBO(satin bowerbird optimization)算法收敛精度低和收敛速度慢的问题,提出一种改进的缎蓝园丁鸟优化ISBO(improved satin bowerbird optimization)算法。采用惯性权重、柯西变异、高斯变异和贪婪选择策略来提高ISBO算法的收敛精度,并利用标准测试函数对其收敛性能进行验证。结合电池充放电数据,将提出的ISBO算法用于锂离子电池等效电路模型的参数辨识。实验结果表明,与SBO和自适应权重粒子群优化算法相比,ISBO算法参数辨识精度较高且辨识精度不受电池工况的影响。

基于相关变分模态分解和CNN-LSTM的变压器油中溶解气体体积分数预测

为解决变压器油中溶解气体实际监测数据中噪声信号对模型预测性能的影响以及单一长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)无法对数据间的深层特征进行有效提取的问题,提出了一种融合了相关变分模态分解(correlation variational mode decomposition,CVMD)、1维卷积神经网络(one dimensional convolutional neural network,1D-CNN)和LSTM的组合预测模型。首先,利用CVMD去除原始气体序列中的噪声信号,并将去噪序列分解为1组相对平稳的子序列分量;然后,针对各子序列分量分别构建CNN-LSTM预测模型,利用1D-CNN挖掘数据间的深层特征形成特征向量,并将其输入到LSTM中进行预测;最后,对各子序列预测结果叠加重构,得到最终的气体预测值。并通过4组对比实验对所提模型进行了全方位、多角度的验证。算例研究结果表明,所提模型单步和多步预测的平均绝对百分比误差分别为1.53%和2.09%。相较于现有模型,该文所提模型在单步和多步预测性能上均有明显提升,为变压器在线监测和故障预警提供了重要技术支撑。

钢板电磁超声表面波的仿真分析及缺陷定量检测

电磁超声换能器(EMAT)的换能机制与被测试材料的电磁特性密切相关,EMAT对不同电磁特性材料的响应不同。铁磁材料具有磁致伸缩效应,磁致伸缩的非线性导致其电磁超声换能机制变得复杂。该文依据铁磁材料的本构方程,考虑洛伦兹力、磁致伸缩效应和磁化力的共同作用,建立含有矩形槽裂纹钢板的电磁超声换能器有限元模型,仿真分析表面波对钢板中缺陷的响应特性,得出缺陷深度与反射系数、透射系数的关系,为钢板裂纹缺陷定量检测奠定基础。最后,对标准试件的不同深度裂纹进行实验研究,验证了仿真分析的正确性和有效性。

不同磁致伸缩材料的高频磁能损耗分析与实验研究

该文引入小磁滞回线下磁能损耗数学模型,使用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了Fe-Co-V、Terfenol-D与Fe-Ga合金样品的高频磁滞回线,利用实验测试结果结合数学模型对比分析了三种材料的磁导率幅值、介质损耗因数、介质储能和电磁损耗变化规律。当励磁磁场频率为50kHz时,随着磁感应强度的增加,Terfenol-D和Fe-Ga合金的介质损耗因数近似线性增加,三种合金样品的电磁损耗均增大。当磁感应强度为0.03T时,随着励磁磁场频率的增加,Fe-Co-V、Fe-Ga合金磁导率幅值都先增大后减小,Terfenol-D合金的介质储能增加最快并且其电磁损耗随频率增速最快。在1~40kHz内Fe-Ga合金的电磁损耗高于Fe-Co-V合金,在40~60kHz内Fe-Ga合金电磁损耗低于Fe-Co-V合金。该文结果为磁致伸缩材料的电磁损耗分析与高频器件设计提供了依据。

基于改进型积分滑模观测器的PMSM无位置传感器控制

针对传统滑模观测器在位置估计过程中的抖振问题,设计一种易于实现的分段平方根切换函数代替传统不连续开关函数,并利用李雅普诺夫稳定性判据对其稳定性进行分析。针对传统锁相环在进行位置估计过程中对转速变化跟踪能力差的问题,提出一种改进锁相环,通过增加微分环节提高电机转速与位置的估计速度,通过增加速度负反馈环节提高系统在暂态过程中的动态性能。在此基础上,通过锁相与位置误差辨识机制,提出一种位置误差全补偿算法,解决了由滤波器、零阶状态保持器等相位延迟环节引起的位置估计误差问题。此外,该文利用形式简单的d-q坐标系电压方程建立滑模观测器,在采用PLL进行位置估计时,无需进行α-β坐标系下的位置误差构建。最后,通过仿真和实验验证所提方案可行性和有效性。

自适应三管导通机制下模块化开关磁阻电机系统转矩交叉补偿控制

模块化变换器驱动型开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)系统在降低系统体积与开发成本、促进电机变换器系统统一的同时,受两相串联励磁和母线电压的限制,转矩脉动问题进一步加剧。文中提出一种基于自适应三管导通的转矩控制策略可有效避免换相区两相串联励磁导致的转矩跌落,并在此基础上建立一种三步换相机制,通过确定换相区的自适应分区原则,揭示各换相分区的转矩交叉补偿原理,有效抑制模块化SRM转矩控制系统的相电流峰值,提高转矩跟踪效果。最后,基于一台150 W、三相12/8极SRM搭建系统模型与实验平台,验证所提出控制方案的可行性和有效性。