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基于磁阻率张量的旋转电磁场数值计算研究

孙景峰  
【摘要】:在河北省自然科学基金的资助下,本文选择了“基于磁阻率张量的旋转电磁场数值计算研究”这一贴近工程实际的课题,具有重要的理论意义和实用价值。 对电磁场的仿真分析,目前大多数都是将材料的磁阻率简化为标量或向量,并且在很多工程实际中得到了比较理想的结果。但是,随着设计要求的不断提升,对电磁场仿真的精度要求也越来越高。在某些场合,这样的简化得到的结果已经不能满足精度要求。比如,在旋转的电磁场中,磁性材料的磁阻率呈现为张量。对磁阻率张量的测量和应用大多数停留在二维的研究,对三维磁阻率张量的测量工作已有学者取得了一定的成果,而将其应用于三维电磁场的数值仿真当中的研究很少。 本文将三维二阶磁阻率张量代入三维电磁场的双旋度方程,经过进一步推导和有限元离散,分别得到了针对四节点四面体单元和六节点三棱柱单元的三维电磁场有限元方程组的磁阻率张量表达式。在得到的表达式中,三维二阶磁阻率张量中的每一个元素都得以体现。并以此为基础,编写了相应的求解程序。 有限元仿真过程的前处理与后处理是工作量巨大且方法相对成熟的过程,目前市场上已有多款有限元分析软件在这方面做得很好。FEMAP就是一款功能强大且使用方便的有限元前处理与后处理软件,但是它并不包含电磁场分析模块。本文结合基于磁阻率张量的求解程序,对FEMAP进行了二次开发,可以完成基于磁阻率张量的三维电磁场有限元分析。 本文设计了一个方形线圈和铁板的测试系统,使用本文设计的软件FERT进行仿真分析。将所有材料的磁阻率简化为标量,得到的结果与现有商业软件ANSYS得到的结果高度一致,验证了该软件基本功能的正确性及其在电磁场分析中的可行性。通过将铁板的磁阻率设置为不同形式的张量,并将得到的结果进行比较分析,对三维二阶磁阻率张量当中的非主对角线元素对磁场分布的影响进行了初步探讨。


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