一种用于大电机定子线棒端部模型的数值计算APP的制作方法

本发明主要应用于高压绝缘领域，主要开发了一种用于大电机定子线棒端部模型的数值计算app。

背景技术：

对于高压电机来说，定子线棒出槽口出往往存在电场集中，在端部施加防晕结构可以达到均化电场的作用，有效保护绝缘。随着计算机的普及，工程实践前往往可以通过仿真的方式来模拟实际环境下产品的运行状态。目前来看，各种数值计算方法中，有限元法的计算最为准确，但由于基于有限元的仿真软件应用时对于操作者的理论知识和使用技巧要求较高，普及比较困难，对于设计者来说，设计之前，获得用于设计的数据比较困难，往往消耗大量的人力物力，工作效率大打折扣，如果将仿真与建模流程封装成一个app，将能够为设计人员提供相当的便利。对于电机的定子线棒绝缘结构设计来说，也是如此。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对大电机定子线棒端部的数值仿真技术方法无法普及使用的问题，开发出一套集成高压电机线棒端部参数化模型模、有限元计算以及端部有限元计算app于一体的端部数值计算app。有效的节省设计人员在建模与计算时所消耗的时间，开发人员直接在app中输入模型参数、材料参数，以及试验环境参数并点击相关的功能按钮后，便可得到精确度较高的有限元仿真计算结果。

本发明的具体内容主要包括：1.大电机线棒端部的参数化建模。实现了端部模型的线芯截面长度、截面宽度、截面圆角半径、端部斜边的长度、端部模型的三维旋转角度、绝缘层厚度、防晕层厚度，以及三段式防晕层的各段长度的参数化控制。2.对参数化建立的模型进行了有限元数值仿真分析，在原有端部模型外施加空气域与铁芯，对模型添加相应材料，进行网格剖分，在50hz频域下使用“直流”物理场进行求解，求解出相应的电势、电场，以及损耗的分布图。3.根据建模以及有限元分析的整个过程，构建端部有限元分析app，将模型的参数、材料参数，以及试验参数封装起来作为输入参数，将电场、电势，以及损耗的分布作为输出，制作成一个集建模与计算功能与一体的app。

附图说明

图1为线棒端部模型示意图。

图2为端部有限元计算app窗口主图。

图3为app输入部分的输入参数图。

图4为电势分布图。

图5为电场分布图。

图6为损耗分布图。

具体实施方式

现参考附图和具体实施方式对本发明一种用于大电机定子线棒端部模型的数值仿真系统做进一步的说明和阐述。

一种用于大电机定子线棒端部模型的数值仿真系统主要三部分构成：1.线棒端部模型的参数化建立。2.应用有限元法对该端部模型进行电场分布、电位分布，以及损耗分布进行分析计算。3.完成线棒端部模型以及有限元仿真的app制作。

第一部分中，使用三维建模软件ptccreo进行三维端部模型的建立，建模的方式是通过先书写控制方程来绘制端部曲线，曲线的三维空间扭转角度由两个二维平面角度控制，控制方程如方程组(1)所示，其中l为端部斜边的长度，t1与t2为该方程曲线与两个平面的夹角，在端部曲线的两边绘制线芯的截面图形，采用绘图中的扫描工具，将两个截面沿着曲线扫描合成端部线芯实体，同样的方法扫描出绝缘层以及防晕层，将扫描所得到的防晕层用分割工具进行分割，截出3段长度可控的防晕层，最后通过creo中的装配环境将线芯、绝缘层以及防晕层装配起来，构建成线棒端部的完整模型。此模型可实现线棒端部的完全参数化，主要参数包括：端部股线截面长度、宽度、截面圆角半径、端部斜边长度、端部的三维扭转角在两个平面上的投影角度、绝缘层厚度、防晕层厚度，以及三段防晕的长度等参数，端部模型如图1所示，至此线棒端部模型建立完成。

第二部分中对已经构建好的线棒端部模型进行有限元分析。此处采用有限元分析软件comsolmultiphysics对端部模型进行计算。首先，需要把由ptccreo参数化建立的模型同步到comsol，中。在comsol中对应建立端部模型的参数，在comsol模型项中应用软件的livelinkforptccreoparametric功能，在此功能下对需要同步的参数进行声明后，同时打开两个软件，点击同步按钮，便可将ptccreo中的模型以参数化的方式同步到comsol中，改变comsol中相应的参数便可以实现端部模型的参数化控制。其次，在comsol中构建一块长方体与端部模型相连接模拟线棒端部在定子铁芯中的情况，构建一个球体作为空气域覆盖住整个端部以及铁芯模型来模拟端部模型所处的空气环境。第三，对整个模型添加材料，将线芯部分添加材料为铜，绝缘材料添加为云母，三段防晕层分别添加材料为电阻率与非线性系数不同的非线性sic材料，每段材料的非线性系数与电阻率采用不同的参数进行控制，铁芯部分添加材料为铁，空气域添加材料为空气。第四，采用ac/dc模块中的直流物理场进行计算，附加边界条件为接地与电势，将整个铁芯的外表面赋予接地条件，在整个线芯的外表面添加电势条件，电势值由参数控制。第五，对模型进行网格剖分，使用软件自带的“自由剖分四面体网格”功能，尺寸选为较细化。最后，网格剖分后使用频域求解器进行求解，求解器的频率设置为50hz，点击计算，经计算后得到三维的电势分布、电场分布以及损耗分布示意图。

第三部分，完成线棒端部模型以及有限元仿真的app制作。app使用comsol自带的app功能进行封装。app的模型如附图2所示，该app中主要包含三个部分。第一部分包括模型参数，材料参数以及测试电压参数的输入。第二部分包括功能按钮的制作，主要包括“保存”，“建模”，“网格剖分”，“计算”等功能按钮。第三部分主要为app的输出部分，主要包括模型显示窗口、网格显示窗口、电势分布显示窗口、电场分布显示窗口，以及损耗分布显示窗口。app具体开发过程如下：

1.建立相应功能的表单，并在主表单中完成app整体布局的规划。在表单窗口建立9个表单，其中一个主表单用于app窗口的整体设计，三个参数表单分别对应模型参数、材料参数，以及试验电压参数三组参数，5个输出显示窗口表单分别对应几何模型图、网格模型图、电势分布图、电场分布图，以及损耗分布图这5个输出。在主表单中分别添加名为“保存”，“建模”，“网格”，“计算”的四个按钮，以及两个复合窗口，将三个参数表单添加到复合窗口1中，将5个输出显示窗口添加到复合表单2中。

2.编写程序，为app窗口中的每个项目添加相应的功能。对于所有的参数我们已经在之前的建模与仿真过程中设置完成，可以直接提取到app中作为输入，各参数如图3所示。在app模型中添加几个虚拟按钮，依次命名为“保存”，“建模”，“网格”，“计算”。为这些按钮添加功能：“保存”按钮的功能选择gui命令中的文件命令下的保存app。“建模”按钮中添加的输入命令为仿真过程中的模型构建，输出显示在app的geom表单下模型显示窗口中，在点击该按钮时，将该参数下的模型在模型显示窗口显示出来，并编写控制语句将输出的模型的空气域与铁芯隐藏，仅显示出线棒端部的模型，语句如下：

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})；

“网格”的功能是在结果区域中显示出图形的网格剖分情况。“网格”按钮中添加的输入命令来自于仿真软件中的网格剖分功能，输出显示在app的mesh表单下网格显示窗口中，当按下“网格”按钮时将该参数下模型的网格剖分情况在网格剖分窗口显示出来，并同样调用上述控制语句将剖分后的网格模型的空气域与铁芯隐藏，仅显示出线棒端部剖分的模型。“计算”按钮中添加的输入命令为仿真过程中的物理场计算，计算结果分别显示在app的ec、tan、e这三个表单下模型显示窗口中，在点击该按钮时，将该参数下的模型的电势、损耗与电场的分布图分别在这三个结果显示窗口显示出来，为了便于观察防晕层的各项结果分布情况编写控制语句将输出的模型的空气域、铁芯与绝缘层隐藏，仅显示出线棒端部的铁芯与防晕层模型，语句如下：

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输出的电势、电场以及损耗图分别如图4、5、6所示。至此，所有按钮及输入输出功能的封装完成。