本發(fā)明主要應(yīng)用于高壓絕緣領(lǐng)域，主要開發(fā)了一種用于大電機(jī)定子線棒端部模型的數(shù)值計(jì)算app。

背景技術(shù)：

對于高壓電機(jī)來說，定子線棒出槽口出往往存在電場集中，在端部施加防暈結(jié)構(gòu)可以達(dá)到均化電場的作用，有效保護(hù)絕緣。隨著計(jì)算機(jī)的普及，工程實(shí)踐前往往可以通過仿真的方式來模擬實(shí)際環(huán)境下產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)。目前來看，各種數(shù)值計(jì)算方法中，有限元法的計(jì)算最為準(zhǔn)確，但由于基于有限元的仿真軟件應(yīng)用時(shí)對于操作者的理論知識和使用技巧要求較高，普及比較困難，對于設(shè)計(jì)者來說，設(shè)計(jì)之前，獲得用于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)比較困難，往往消耗大量的人力物力，工作效率大打折扣，如果將仿真與建模流程封裝成一個(gè)app，將能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供相當(dāng)?shù)谋憷?。對于電機(jī)的定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，也是如此。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對大電機(jī)定子線棒端部的數(shù)值仿真技術(shù)方法無法普及使用的問題，開發(fā)出一套集成高壓電機(jī)線棒端部參數(shù)化模型模、有限元計(jì)算以及端部有限元計(jì)算app于一體的端部數(shù)值計(jì)算app。有效的節(jié)省設(shè)計(jì)人員在建模與計(jì)算時(shí)所消耗的時(shí)間，開發(fā)人員直接在app中輸入模型參數(shù)、材料參數(shù)，以及試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)并點(diǎn)擊相關(guān)的功能按鈕后，便可得到精確度較高的有限元仿真計(jì)算結(jié)果。

本發(fā)明的具體內(nèi)容主要包括：1.大電機(jī)線棒端部的參數(shù)化建模。實(shí)現(xiàn)了端部模型的線芯截面長度、截面寬度、截面圓角半徑、端部斜邊的長度、端部模型的三維旋轉(zhuǎn)角度、絕緣層厚度、防暈層厚度，以及三段式防暈層的各段長度的參數(shù)化控制。2.對參數(shù)化建立的模型進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真分析，在原有端部模型外施加空氣域與鐵芯，對模型添加相應(yīng)材料，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在50hz頻域下使用“直流”物理場進(jìn)行求解，求解出相應(yīng)的電勢、電場，以及損耗的分布圖。3.根據(jù)建模以及有限元分析的整個(gè)過程，構(gòu)建端部有限元分析app，將模型的參數(shù)、材料參數(shù)，以及試驗(yàn)參數(shù)封裝起來作為輸入?yún)?shù)，將電場、電勢，以及損耗的分布作為輸出，制作成一個(gè)集建模與計(jì)算功能與一體的app。

附圖說明

圖1為線棒端部模型示意圖。

圖2為端部有限元計(jì)算app窗口主圖。

圖3為app輸入部分的輸入?yún)?shù)圖。

圖4為電勢分布圖。

圖5為電場分布圖。

圖6為損耗分布圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)參考附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明一種用于大電機(jī)定子線棒端部模型的數(shù)值仿真系統(tǒng)做進(jìn)一步的說明和闡述。

一種用于大電機(jī)定子線棒端部模型的數(shù)值仿真系統(tǒng)主要三部分構(gòu)成：1.線棒端部模型的參數(shù)化建立。2.應(yīng)用有限元法對該端部模型進(jìn)行電場分布、電位分布，以及損耗分布進(jìn)行分析計(jì)算。3.完成線棒端部模型以及有限元仿真的app制作。

第一部分中，使用三維建模軟件ptccreo進(jìn)行三維端部模型的建立，建模的方式是通過先書寫控制方程來繪制端部曲線，曲線的三維空間扭轉(zhuǎn)角度由兩個(gè)二維平面角度控制，控制方程如方程組(1)所示，其中l(wèi)為端部斜邊的長度，t1與t2為該方程曲線與兩個(gè)平面的夾角，在端部曲線的兩邊繪制線芯的截面圖形，采用繪圖中的掃描工具，將兩個(gè)截面沿著曲線掃描合成端部線芯實(shí)體，同樣的方法掃描出絕緣層以及防暈層，將掃描所得到的防暈層用分割工具進(jìn)行分割，截出3段長度可控的防暈層，最后通過creo中的裝配環(huán)境將線芯、絕緣層以及防暈層裝配起來，構(gòu)建成線棒端部的完整模型。此模型可實(shí)現(xiàn)線棒端部的完全參數(shù)化，主要參數(shù)包括：端部股線截面長度、寬度、截面圓角半徑、端部斜邊長度、端部的三維扭轉(zhuǎn)角在兩個(gè)平面上的投影角度、絕緣層厚度、防暈層厚度，以及三段防暈的長度等參數(shù)，端部模型如圖1所示，至此線棒端部模型建立完成。

第二部分中對已經(jīng)構(gòu)建好的線棒端部模型進(jìn)行有限元分析。此處采用有限元分析軟件comsolmultiphysics對端部模型進(jìn)行計(jì)算。首先，需要把由ptccreo參數(shù)化建立的模型同步到comsol，中。在comsol中對應(yīng)建立端部模型的參數(shù)，在comsol模型項(xiàng)中應(yīng)用軟件的livelinkforptccreoparametric功能，在此功能下對需要同步的參數(shù)進(jìn)行聲明后，同時(shí)打開兩個(gè)軟件，點(diǎn)擊同步按鈕，便可將ptccreo中的模型以參數(shù)化的方式同步到comsol中，改變comsol中相應(yīng)的參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)端部模型的參數(shù)化控制。其次，在comsol中構(gòu)建一塊長方體與端部模型相連接模擬線棒端部在定子鐵芯中的情況，構(gòu)建一個(gè)球體作為空氣域覆蓋住整個(gè)端部以及鐵芯模型來模擬端部模型所處的空氣環(huán)境。第三，對整個(gè)模型添加材料，將線芯部分添加材料為銅，絕緣材料添加為云母，三段防暈層分別添加材料為電阻率與非線性系數(shù)不同的非線性sic材料，每段材料的非線性系數(shù)與電阻率采用不同的參數(shù)進(jìn)行控制，鐵芯部分添加材料為鐵，空氣域添加材料為空氣。第四，采用ac/dc模塊中的直流物理場進(jìn)行計(jì)算，附加邊界條件為接地與電勢，將整個(gè)鐵芯的外表面賦予接地條件，在整個(gè)線芯的外表面添加電勢條件，電勢值由參數(shù)控制。第五，對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，使用軟件自帶的“自由剖分四面體網(wǎng)格”功能，尺寸選為較細(xì)化。最后，網(wǎng)格剖分后使用頻域求解器進(jìn)行求解，求解器的頻率設(shè)置為50hz，點(diǎn)擊計(jì)算，經(jīng)計(jì)算后得到三維的電勢分布、電場分布以及損耗分布示意圖。

第三部分，完成線棒端部模型以及有限元仿真的app制作。app使用comsol自帶的app功能進(jìn)行封裝。app的模型如附圖2所示，該app中主要包含三個(gè)部分。第一部分包括模型參數(shù)，材料參數(shù)以及測試電壓參數(shù)的輸入。第二部分包括功能按鈕的制作，主要包括“保存”，“建?！?，“網(wǎng)格剖分”，“計(jì)算”等功能按鈕。第三部分主要為app的輸出部分，主要包括模型顯示窗口、網(wǎng)格顯示窗口、電勢分布顯示窗口、電場分布顯示窗口，以及損耗分布顯示窗口。app具體開發(fā)過程如下：

1.建立相應(yīng)功能的表單，并在主表單中完成app整體布局的規(guī)劃。在表單窗口建立9個(gè)表單，其中一個(gè)主表單用于app窗口的整體設(shè)計(jì)，三個(gè)參數(shù)表單分別對應(yīng)模型參數(shù)、材料參數(shù)，以及試驗(yàn)電壓參數(shù)三組參數(shù)，5個(gè)輸出顯示窗口表單分別對應(yīng)幾何模型圖、網(wǎng)格模型圖、電勢分布圖、電場分布圖，以及損耗分布圖這5個(gè)輸出。在主表單中分別添加名為“保存”，“建?！保熬W(wǎng)格”，“計(jì)算”的四個(gè)按鈕，以及兩個(gè)復(fù)合窗口，將三個(gè)參數(shù)表單添加到復(fù)合窗口1中，將5個(gè)輸出顯示窗口添加到復(fù)合表單2中。

2.編寫程序，為app窗口中的每個(gè)項(xiàng)目添加相應(yīng)的功能。對于所有的參數(shù)我們已經(jīng)在之前的建模與仿真過程中設(shè)置完成，可以直接提取到app中作為輸入，各參數(shù)如圖3所示。在app模型中添加幾個(gè)虛擬按鈕，依次命名為“保存”，“建?！?，“網(wǎng)格”，“計(jì)算”。為這些按鈕添加功能：“保存”按鈕的功能選擇gui命令中的文件命令下的保存app。“建?！卑粹o中添加的輸入命令為仿真過程中的模型構(gòu)建，輸出顯示在app的geom表單下模型顯示窗口中，在點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，將該參數(shù)下的模型在模型顯示窗口顯示出來，并編寫控制語句將輸出的模型的空氣域與鐵芯隱藏，僅顯示出線棒端部的模型，語句如下：

model.view("view1").hideobjects().clear()；

model.view("view1").hideentities().clear()；

model.view("view1").hideentities().create("hide1")；

model.view("view1").hideentities("hide1").geom(3)；

model.view("view1").hideentities("hide1").add(newint[]{1})；

model.view("view1").hideentities("hide1").add(newint[]{2})；

“網(wǎng)格”的功能是在結(jié)果區(qū)域中顯示出圖形的網(wǎng)格剖分情況?！熬W(wǎng)格”按鈕中添加的輸入命令來自于仿真軟件中的網(wǎng)格剖分功能，輸出顯示在app的mesh表單下網(wǎng)格顯示窗口中，當(dāng)按下“網(wǎng)格”按鈕時(shí)將該參數(shù)下模型的網(wǎng)格剖分情況在網(wǎng)格剖分窗口顯示出來，并同樣調(diào)用上述控制語句將剖分后的網(wǎng)格模型的空氣域與鐵芯隱藏，僅顯示出線棒端部剖分的模型?！坝?jì)算”按鈕中添加的輸入命令為仿真過程中的物理場計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別顯示在app的ec、tan、e這三個(gè)表單下模型顯示窗口中，在點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，將該參數(shù)下的模型的電勢、損耗與電場的分布圖分別在這三個(gè)結(jié)果顯示窗口顯示出來，為了便于觀察防暈層的各項(xiàng)結(jié)果分布情況編寫控制語句將輸出的模型的空氣域、鐵芯與絕緣層隱藏，僅顯示出線棒端部的鐵芯與防暈層模型，語句如下：

model.view("view1").hideobjects().clear()；

model.view("view1").hideentities().clear()；

model.view("view1").hideentities().create("hide1")；

model.view("view1").hideentities("hide1").geom(3)；

model.view("view1").hideentities("hide1").add(newint[]{1})；

model.view("view1").hideentities("hide1").add(newint[]{2})；

model.view("view1").hideentities("hide1").add(newint[]{3})；

app輸出的電勢、電場以及損耗圖分別如圖4、5、6所示。至此，所有按鈕及輸入輸出功能的封裝完成。