电磁场与电磁兼容研讨-基于Maxwell 2D的实例研讨

电磁场与电磁兼容
-基于Maxwell 2D的实例研讨
小组成员：
摘要：随着计算机软件技术的发展，越来越多的CAE软件被应用于工业产品的研发中，在这些产品的设计开发过程中发挥着举足轻重的作用。

在电气设备行业，ANSYS公司的ANSOFT MAXWELL软件作为世界知名的商用低频电磁场有限元分析软件已经在业界得到了广泛的应用。

本文所述结合电磁场与电磁兼容课程相关知识，基于Maxwell14.0电磁仿真软件，通过了“尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响”与“研究永磁同步电机静磁场分布”两个研究论题，着重阐述了利用Maxwell14.0进行2D电磁仿真的基本过程以及通过分析电磁场有关问题的基本方法对所研究论题得出一般性结论。

关键词：尖端放电、永磁同步电机、电磁仿真
正文：
一、尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响
【原理解释】
强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电，他属于一种电晕放电。

他的原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。

如果物体尖端在暗处或放电特别强烈，这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。

通常情况下，空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。

由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了，空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去原子的电荷带正电，叫做正离子。

（对孤立导体）导体表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关。

在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小，在尖的部位最大。

当电荷密度达到一定的量值后，电荷产生的电场会很大，以至于把空气击穿（电离），空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和，出现放电火花，并能听到放电声。

【尖端放电的应用】
尖端放电在我们的生活中应用广泛，例如：如高压线有轮廓的地方，就会出现尖端放电。

由于接到电源上，它一边放电，一边不停的提供放电需要的电荷，这种放电会持续下去。

避雷针是另外一个好的例子。

高大建筑物上安装避雷针，当带电云层靠近建筑物时，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集到避雷针的尖端，达到一定的值后便开始放电，这样不停的将建筑物上的电荷中和掉，永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。

雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电，在放电的过程中有巨大的能量放出。

建筑物的另外一端与大地相连，与云层相同的电荷就流入大地。

显然，要使避雷针起作用，必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好，一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。

【建模】
建立如下模型仿真其放电情况：
●尖端和圆端的电场分布图为：
●尖端和圆端的能量分布图为：
【仿真分析】
1、从电场分布图中我们可以看出，无论是哪种尖端模型，电场都集中分布在导体表面，并且在尖端处明显要比其他位置集中。

圆弧尖端模型在尖端处的电场强度比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的电场在尖端处更为集中。

2、从能量布图中我们可以看出，能量只集中分布在导体尖端附近，圆弧尖端模型在尖端处的能量比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的能量大的范围更广。

所以在导体表面，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。

这就是尖端放电模型。

【拓展比较】
由于我们进行的圆弧尖端模型和三角尖端模型模拟实验太少，无法得出尖端角度和弧度的大小对放电的影响，所以我组对不同的角度的三角尖端模型和不同曲率半径的圆弧尖端模型分别进行了多组测试，并得出了一般性的结论。

（1）当尖端角度变小时，得到尖端1、尖端2和尖端3的电场分布图为：
同样，做出尖端1、尖端2和尖端3的能量分布图为：
【结论】
由三个尖端的电场和能量分布图可以看出：三角尖端模型尖端的场强与尖端的角度没有明显的线性关系。

但是随着尖端角度的逐渐变小，尖端处场强越大，放电范围变小。

而尖端周围能量会逐渐变大，能量范围则是先变大，再变小。

（二）当圆弧尖端曲率半径逐渐减小时，得到尖端1、尖端2和尖端3的电场分布图为：
同样，得到尖端1、尖端2和尖端3的能量分布图为：
【结论】
由三个尖端的电场和能量分布图可以看出：随着圆弧尖端模型圆弧的曲率半径逐渐变小，其尖端的场强会逐渐增大，场强范围变小。

尖端周围能量同样也会逐渐
增大，放电范围逐渐变小。

二、研究永磁同步电机静磁场分布
【工作原理】
同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场。

而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。

根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。

【工作方式】
发电机获得励磁电流的几种方式
1) 直流发电机供电的励磁方式
这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。

这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。

缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。

2)交流励磁机供电的励磁方式
现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。

交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。

交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。

为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。

这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。

缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

3)无励磁机的励磁方式
在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。

自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。

自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。

自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。

这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。

这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

【有限元分析的基本步骤】
1 创建项目及定义分析类型
2 建立几何模型
3 定义及分配材料
4 定义及加载激励源和边界条件
5 求解参数设定
6 后处理
【仿真步骤】
1 .创建项目及定义分析类型
2.建立几何模型
3 .定义及分配材料
1 ）指定气隙Air-gap 材料属性——空气（亦可采用默认材料属性真空）；
2 ）指定绕组coil 材料属性——铜
3 ）定义定子铁心Stator 及转子轭yoke 材料属性DW465-50,一种电机常用非线性铁磁材料；
4 ）定义永磁体材料，命名为P_Mag，指定给永磁磁极；
4 定义及加载激励源和边界条件
A相正绕组设置+25安培电流激励，A负绕组设置-25安培电流激励；，B、C 相分别电流相位分别落后与A 相电流相位120 度和240 度，因此其值为12.5安培。

无边界漏磁
【仿真结果】
1.电机模型剖分情况，如下图所示：
2.电机等势线分布：
3.电机磁通密度云图分布：
【结论】
我们小组运用Maxwell12软件对永磁同步电机进行了空载条件下的仿真，仿真结果比较准确地反应了永磁同步电机的剖分图、电机等势线以及电机磁通密度的云图分布。

通过仿真，我们可以直观地看到电机内部磁场的分布情况及电机的运行特性，这对电机设计过程极其有利。

通过这些直观的有限元分析结果，电机设计人员可以辨别设计方案的优良性，缩短产品开发周期。

三、参考文献
[1] 赵博. Ansoft12在工程电磁场中的应用[M]. 水利水电出版社, 2010.
[2] 闻映红. 电磁场与电磁兼容[M]. 科学出版社, 2010.
[3] 王宿红. 尖端放电的实验研究[J]. 考试周刊, 2011.
[4] 王振. 基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析[J]. 能源研究与管理, 2010.。