[发明专利]一种含变厚度气隙的电磁运动耦合仿真方法

说明书

本发明提供一种含变厚度气隙的电磁运动耦合仿真方法，包括以下的步骤：将随时间变化的气隙厚度输入气隙壳单元；对含动态拉压薄气隙的电磁场进行分析；所述分析包含：电磁场方程、电路方程、运动方程，以及上述方程间的耦合关系。本发明在轴对称薄气隙壳单元的基础上，引入可变厚度参数，实现基于气隙壳单元的瞬态电路‑电磁场‑运动的耦合仿真，相比传统的气隙网格剖分方法，可以提高电磁阀等设备中动态拉压气隙问题的建模灵活性和计算效率，避免了气隙很薄时气隙网格剖分所遇到的困难。

技术领域

本发明涉及耦合仿真技术领域，具体而言，尤其涉及一种含变厚度气隙的电磁运动耦合仿真方法。

背景技术

对于铁性材料围绕的薄气隙，可假设气隙磁场平行于气隙厚度方向，即在基于磁矢势描述的方程中，磁矢势在气隙厚度方向是常量，通过气隙厚度退化，可建立含厚度因子的气隙壳单元【Nakata T,Ishihara Y,Takahashi N.Finite element analysis ofmagnetic fields by using gap element[C].Proceedings of Compumag Conference,1978,5:7.】【Nakata T,Takahashi N.3D magnetic field analysis using specialelements[J].IEEE Transactions on Magnetics,1990,26(5):2379-2381.】【Ren Z,Degenerated Whitney prism elements-general nodal and edge shell elements forfield computation in thin structures[J].IEEE Transactions on Magnetics,1998,34(5):2547–2550.】。气隙壳单元将气隙厚度作为模型的数学参数，当气隙厚度发生改变时，无需变更模型的几何和网格，具有较高的建模便捷性；由于无需在气隙处剖分过密的网格，减小了计算量，因此还具有较高的计算效率。在铁性材料围绕的薄气隙问题中，二维平面和三维的气隙壳单元目前均已有构造文献【Kameari A.Improvement of ICCGconvergence for thin elements in magnetic field analyses using the finite-element method[J].IEEE Transactions on Magnetics,2008,44(6):1178–1181.】还研究了不完全Cholesky的CG法在迭代求解气隙壳单元的数值性能。在轴对称气隙壳单元的构造中，需要同时考虑气隙厚度的退化和中心轴附近磁场精度的问题，目前文献尚较少讨论基于磁矢势离散的轴对称气隙壳单元的构造。在电磁阀等动态仿真问题中，气隙的厚度与机械运动的位移相关，而机械运动又与电磁场及外电路发生耦合，因此还需要进一步研究运动电磁场仿真中动态拉压的薄气隙问题。

发明内容

根据上述提出在电磁阀等动态仿真问题中，气隙的厚度与机械运动的位移相关，而机械运动又与电磁场及外电路发生耦合导致仿真中存在误差的技术问题，而提供一种含变厚度气隙的电磁运动耦合仿真方法。本发明一种含变厚度气隙的电磁运动耦合仿真方法，包括以下的步骤：

步骤S1：将随时间变化的气隙厚度d_g输入所述气隙壳单元；

步骤S2：对含动态拉压薄气隙的电磁场进行分析；所述分析包含：电磁场方程、电路方程、运动方程，以及上述方程间的耦合关系；

对于外电路，设电路元器件两端节点i和j的电压分别为V_i和V_j，电流分别为I_i和I_j；则对于电阻为R的电阻元器件，两端的电势和电流满足以下方程：

对于电感为L的电感元器件，两端的电压和电流满足以下方程：