畢業(yè)論文-中國標(biāo)準(zhǔn)動車組牽引變壓器電磁性能仿真分析

頁電磁場與麥克斯韋方程組2.1電磁場基本理論2.1.1麥克斯韋方程組變換的磁場可以產(chǎn)生電流，而變換的電流也能產(chǎn)生磁場。電與磁相互之間的關(guān)系被發(fā)現(xiàn)后，電磁場這個術(shù)語也就此產(chǎn)生。電磁場的實(shí)用性強(qiáng)，在各類工程計算中有無客戶是的作用,例如電力機(jī)車，變壓器，輸變電設(shè)備等等。在工程上，麥克斯韋方程組可以對電磁場做出很好的闡述，麥克斯韋方程組對于電磁場的研究具有不可估量的價值，因而，對麥克斯韋方程組的研究分析是必不可缺的。在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上，還可以研究出有限元分析法以及偏微分方程。方程組的基本變量有六個，其中五個是矢量，一個是標(biāo)量，如下表：表2.1麥克斯韋方程組基本變量表電場強(qiáng)度EV/m磁場強(qiáng)度HA/m電通量密度DC/㎡磁感應(yīng)強(qiáng)度BT電流密度JA/㎡電荷密度ρC/m3麥克斯韋方程組由四個部分組成：法拉第電磁感應(yīng)定律、安培環(huán)路定律、高斯電通定律以及斯磁通定律。下面簡要介紹所述四個定律。法拉第電磁感應(yīng)定律：在閉合的電路中，有隨時間變化磁場穿過時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與穿過閉合回路的磁通量隨時間的變化率是成正比的[1][1]杜志強(qiáng).《高效電磁冷坩堝及Ti44Al6Nb0.5B合金的連續(xù)熔鑄研究》（D）.（碩士論文）哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012(2.1)安培環(huán)路定律：與磁場強(qiáng)度和介質(zhì)的分布無關(guān)，磁場中場強(qiáng)由任意一個閉合曲線的積分，與穿過這個路徑的所有電流的代數(shù)和相等[1][1]杜志強(qiáng).《高效電磁冷坩堝及Ti44Al6Nb0.5B合金的連續(xù)熔鑄研究》（D）.（碩士論文）哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012(2.2)高斯電通定律：與介質(zhì)和磁通密度無關(guān)，穿出任何一個閉合路徑的電通量等于這個閉合路徑所包含的電荷量。積分公式為：(2.3)高斯磁通定律：與介質(zhì)和磁通密度無關(guān)，穿出任意一個閉合路徑的磁通量恒等于零。用積分公式表示為：(2.4)上述四個方程便構(gòu)成了麥克斯韋方程組，用于描述電磁場。四個方程組中，法拉第電磁感應(yīng)定律表明，電場可由變化的磁場產(chǎn)生，是電磁感應(yīng)定律的推廣。安培環(huán)路定律告訴我們，磁場可由變化的電流產(chǎn)生。高斯電通定律告訴我們，電場是由電荷以發(fā)散的形式產(chǎn)生的。高斯刺痛定律表明，磁場線一定是閉合的。麥克斯韋的四個方程組體現(xiàn)了電場與磁場的相互激發(fā)和變換，相輔相成而統(tǒng)稱為電磁場。講麥克斯韋方程組寫成微分形式如下式：(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)計算電磁場時，在對麥克斯韋方程組的運(yùn)用過程中，通常將其簡化從而可以使用分離變量的方法。但是實(shí)際上，在工程計算中，要得到精確的解析解時很困難的。因而只能根據(jù)實(shí)際的情況，通過初始條件和邊界條件用數(shù)值解析法得到結(jié)果。一般，通過賦值兩個變量是磁場與電場分離開來，使它們各自形成獨(dú)立的偏微分方程，從而使數(shù)值解析法得到簡化。這兩個定義的量為1、矢量磁勢：(2.9)2、標(biāo)量電勢：(2.10)定義的這兩個量滿足高斯磁通定律和法拉第電磁感應(yīng)定律。通過變換，可分別得到電場和磁場的偏微分方程：(2.11)(2.12)其中：相對磁導(dǎo)率h/m；介電常數(shù)F/m；拉普拉斯算子：電場的偏微分方程與磁場的偏微分方程有相同的形式并且相互對稱，他們的求解方法均采用有限元法。經(jīng)過轉(zhuǎn)換可得到各種物理量。最后可由(2.13)式得到磁場能：(2.13)2.1.2電磁場中常用的邊界條件磁場求解時需要先定義邊界條件，常用的有三種Dirichlet邊界條件Neumann邊界條件Dirichelet與Neumann的組合邊界條件Dirichelet邊界條件表示為：(2.14)式中，為Dirichlet邊界。為其位置函數(shù)，當(dāng)它為零時，稱之為Dirichlet其次邊界條件。Neumann邊界條件表示為：(2.15)式中，為Neumann邊界，n為的外法線矢量。和時一般函數(shù)，當(dāng)他們?yōu)榱銜r，稱之為Neumann邊界條件。2.2有限元分析法隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，工程技術(shù)的進(jìn)步，人類對產(chǎn)品設(shè)計的精密程度、復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)設(shè)計等要求不斷提高。因此，就需要對工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、位移等因素做大量的預(yù)測和計算。然而，傳統(tǒng)力學(xué)和經(jīng)典理論方法很難對一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和場進(jìn)行求解和分析。例如一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)、裂縫結(jié)構(gòu)。幾何上及材料上的非線性問題等等。若用傳統(tǒng)方法進(jìn)行求解，需要對這些幾何上材料上連續(xù)不規(guī)則的對象做出大量的假設(shè)和預(yù)測，然后再通過經(jīng)典傳統(tǒng)方法進(jìn)行求解。但是這種方法所求得的結(jié)果往往誤差很大，對于精度要求高的的工程項(xiàng)目難以達(dá)到要求。因而，就必須使用數(shù)值分析法。其中數(shù)值分析法包括兩種：差分法和有限元分析法。這里主要介紹有限元分析法。有限元分析法起源于20世紀(jì)。Courant在他的論文里首次定義了三角形域上的連續(xù)函數(shù)，提出了物體離散化的問題。然后受關(guān)注度很小，十年后才有人再次關(guān)注到物體離散化的概念。若干年后，Turner，Topp等科學(xué)家首次離散三角形單元求出了平面應(yīng)力的解。若干年后W.Clough利用此方法對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并將對此方法命名為有限元分析法。目前，此方法廣泛應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等各個領(lǐng)域。我們要研究的物體都是連續(xù)體，我們可以將這些連續(xù)體劃分為無數(shù)個點(diǎn)，存在著無限多的自由度。這無數(shù)多個點(diǎn)便組成了這個物體。我們將這些點(diǎn)進(jìn)行單個分析，然后再把所有單元組合起來看做整個物體，以求得我們對這個物體所需要的解。由于物體的無限性及物體自由度的無限性，在工程計算中，我們根據(jù)所需要達(dá)到的精度，將研究對象劃分為有限個單元，即對物體進(jìn)行近似的單元劃分，對單元進(jìn)行求解以達(dá)到所需的數(shù)值解。2.2.1有限元分析基礎(chǔ)單元：有限元模型中劃分的各個小網(wǎng)格稱為單元，單元可由不同的形狀所組成，常用的單元形狀有：三角形單元、矩形單元、多面體單元、線段單元等。在不同的項(xiàng)目中選擇合適的一種單元形狀，對有限元分析具有有很大幫助和簡化效果。項(xiàng)目中單元類型的多少也決定了該項(xiàng)目功能的強(qiáng)弱。一般單元可選擇的形狀越多，該項(xiàng)目功能就越強(qiáng)大。邊界條件：在對項(xiàng)目的求解過程中，需要對物體的結(jié)構(gòu)在邊界上附加正確的條件，以便使用有限元分析法得到精確的數(shù)值解。初始條件：項(xiàng)目在活動前所施加的影響。節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)是有限元中最小的構(gòu)成元素，節(jié)點(diǎn)可以確定有限元的形狀類型。節(jié)點(diǎn)可以連接多個單元。工程中項(xiàng)目所受到的外力稱之為載荷。在不同的領(lǐng)域，載荷的概念和性質(zhì)有所不同。在電磁場鐘，載荷指的是所受到的電場和磁場的力。2.2.2有限元分析步驟建立項(xiàng)目模型，對項(xiàng)目進(jìn)行離散化，將連續(xù)的物體分成有限個單元；對單個目標(biāo)單元建立連續(xù)的函數(shù)；對各單元構(gòu)建方程；連接各單元建立剛度矩陣；對項(xiàng)目材料進(jìn)行設(shè)置；施加邊界條件、初始條件及載荷；對方程組進(jìn)行求解，求出各節(jié)點(diǎn)的物理量，如位移，受力情況、溫度等等；分析數(shù)據(jù)得到信息。2.2.3ansoftmaxwell有限元分析Ansoftmaxwell由ANSOFT公司于2003發(fā)行的性能極高的三維電磁場設(shè)計仿真軟件。其功能包括交直流磁場、靜態(tài)及瞬態(tài)電磁場、溫度場分析；其后升級的3D版本可以分析渦流、位移電流、集膚效應(yīng)等，還可得到電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備各零件的性能參數(shù)。用ansoftmaxwell3D軟件分析的步驟如下：設(shè)置求解器類型；根據(jù)是實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模型的建立；設(shè)置模型的材料屬性，如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等；設(shè)置邊界條件及激勵條件；對模型進(jìn)行單元劃分；有限元計算；后處理。2.3有限元模型建立本文研究對象為HXD1(DJ4)機(jī)車TBQ32牽引變壓器，多繞組，單相變壓器，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。詳細(xì)參數(shù)見表2.2、表2.3、表2.4：表2.2HXD1(DJ4)機(jī)車TBQ32牽引變壓器單位高壓繞組牽引繞組額定容量kVA52804×1320額定電壓V250004×970額定電流A2111361最大電流A2351512短路阻抗％3735（單個）匝數(shù)匝190774表2.3鐵心技術(shù)數(shù)據(jù)表鐵心尺寸mm心柱高mm軛高mm兩心柱中心距mm疊片系數(shù)匝電壓V/W有效截面cm2磁密T接縫伏安mm單位損耗W/kg符號DHFBjKFAcBmSP心柱23715072006090.9613.1096375.71.572.341.02鐵軛204391.71.5061.02表2.4鐵芯夾板和油箱壁的材料屬性金屬部件名相對磁導(dǎo)率Murx熱傳導(dǎo)率Kxx電阻率Rsvx密度Dens比熱容C鐵芯夾板（0Cr18Ni9）1.0515W/(m·K)0.73e-6(Ω·m)7.93(g/mm3)500J/(Kg·K)油箱壁（Q345B&Q345E）40048W/(m·K)0.224e-6(Ω·m)7.85(g/mm3)480J/(Kg·K)本文研究的變壓器由株洲南車電機(jī)股份有限公司研制，忽略繞組渦流影響。模型為芯式鐵芯，八繞組，一個冷卻回路，以導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷的方式冷卻，單相變壓器，雙柱并聯(lián)，體積小，重量輕。牽引主變壓器如圖2.1所示：圖2.1TBQ32牽引變壓器繞組布置圖由于油箱外由漏磁通，屬于空間有限元，因而為方便計算，在油箱外附加了邊界條件。環(huán)境溫度?。?0℃；變壓器油溫?。?0℃。根據(jù)模型參數(shù)建立模型及單元劃分如圖2.2、圖2.3所示：圖2.2TBQ32牽引變壓器模型圖2.3TBQ32牽引變壓器單元劃分圖模型說明：四個牽引繞組，每個繞組74匝。四個高壓繞組，每個繞組1907匝。材料為Q345B鋼，又稱為16Mn鋼。除此模型外，在此變壓器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做出改動，在外層繞組上加裝輔助繞組，以在仿真過程中觀察觀察輔助繞組對變壓器漏磁及渦流的影響。對TBQ32-5280（額定運(yùn)行）、TBQ32-5280（容量提升，去掉輔助繞組）型牽引變壓器的多物理場進(jìn)行仿真計算，并與試驗(yàn)溫升進(jìn)行對比分析，優(yōu)化仿真計算方法與程序，使仿真計算溫升值與試驗(yàn)值誤差控制在5K以內(nèi)。2.4本章小結(jié)本章主要簡述了電磁場基本理論和麥克斯韋方程組。隨后介紹了有限元分析的發(fā)展及分析方法。并且根據(jù)TBQ32牽引變壓器的具體參數(shù)利用ansoftmaxwell軟件進(jìn)行了模型的建立。模型物理場分析機(jī)車上的牽引變壓器是機(jī)車的核心部件，因此，牽引變壓器的運(yùn)行質(zhì)量對列車行駛的穩(wěn)定性和安全性有著舉足輕重的影響。由于牽引變壓器有著多繞組，高漏抗，會產(chǎn)生較強(qiáng)的橫向漏磁場，并且安裝在車底，尺寸和外形受到嚴(yán)格的限制，因而其散熱性并不樂觀。牽引變壓器在運(yùn)行過程中，由于產(chǎn)生許多附加損耗，而散熱又差，在金屬框架中分布不均，會造成局部過熱的情況，因此，對牽引變壓器的磁通分布、漏磁分布、渦流、損耗等計算非常重要。3.1關(guān)于漏磁場漏磁對線圈甚至整個變壓器的溫升起著無可忽視的作用，影響變壓器的阻抗電壓，在線圈中引起渦流和環(huán)流，還決定著運(yùn)行時線圈上的電動力。3.1.1漏磁場產(chǎn)生的原因變壓器從一端繞組上獲取電壓后，便會在鐵芯上產(chǎn)生磁通鏈。由勵磁在鐵芯上所產(chǎn)生的完全流過鐵芯的部分稱之為主磁通。主磁通決定著勵磁電流的大小。一般主磁通不會使鐵芯飽和。當(dāng)變壓器另一端加上負(fù)載后，便會在繞組上產(chǎn)生磁通。只與部分線圈交集的磁通稱之為漏磁通，其決定了負(fù)載電流的大小。主磁通與漏磁通均為閉合回路。主磁通通過鐵芯，漏磁通會通過繞組、空間、壓板甚至油箱。漏磁通的流動方向通常與繞組軸平行，因而稱之為縱向漏磁通，產(chǎn)生縱向漏抗電動勢。根據(jù)變壓器磁式平衡方程可知，牽引變壓器兩邊繞組的磁勢總是平衡的。然而，變壓器在獲取電壓的一端加強(qiáng)絕緣，使得變壓器兩端的安匝并不完全相等。這樣一來，在繞組上則存在著幾個等效繞組。每一個等效繞組都將產(chǎn)生各自的漏磁通。因此，在還存在著一種漏磁通，其流動方向與繞組軸垂直，這種漏磁通成為橫向漏磁通。對漏磁通的研究，我們從磁式方程著手，雙線圈變壓器的磁式方程為：(3.1)即：(3.2)（）為合成磁勢，即為勵磁磁勢。它是兩個線圈所建立的主磁通。完全流過牽引變壓器的鐵芯。(3.2)式還可變換為：(3.3)其中：為一次側(cè)的電流負(fù)載分量。這樣一來，一次側(cè)的電流為勵磁電流與一次側(cè)電流負(fù)載分量的合成?？赏茖?dǎo)出下式：(3.4)由此可得，變壓器的磁場可分為兩部分組成，一為勵磁磁勢：(3.5)二為一次側(cè)電流負(fù)載分量與二次側(cè)電流的合成磁勢：(3.6)根據(jù)全電流定律，這個合成磁勢所建立的磁場不可能包含于牽引變壓器兩側(cè)繞組都交鏈的磁通，僅可能存在只與其中組線圈交鏈的磁通。這個合成磁場就叫做變壓器的漏磁場。把變壓器的磁場分為主磁場和漏磁場。主磁場完全通過鐵芯，漏磁場可能通過空氣和變壓器油，這樣一來，主磁場則完全置于一種介質(zhì)中，大大方便了研究。建立漏磁場模型分析的假設(shè)條件：不考慮鐵芯中的損耗；建立變壓器又想漏磁場時，不考慮繞組渦流損耗。3.1.2主磁通和漏磁通的分布當(dāng)牽引變壓器高壓側(cè)施加額定電壓25000V，帶額定負(fù)載時的主磁通如下圖。以及主磁通矢量圖如下圖。在額定值下，主磁通對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為。圖3.1TBQ32牽引變壓器主磁通云圖圖3.2TBQ32牽引變壓器主磁通矢量圖本文所研究的牽引變壓器不含輔助線圈，牽引變壓器下圖為牽引變壓器在額定滿負(fù)載情況下的鐵芯夾板的漏磁場分布圖。峰值可達(dá)0.155297T。下圖為變壓器油箱漏磁分布：圖3.3TBQ32牽引變壓器油箱前壁漏磁通云圖圖3.4TBQ32牽引變壓器油箱前壁漏磁通矢量圖漏磁通主要分布在牽引繞組與高壓繞組之間。并且主要位于繞組下部。所以該部分繞組所受到的電動力必然大于其他部分。因此，在對變壓器進(jìn)行加固時，應(yīng)該對這部分繞組進(jìn)行特別的加固和結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)。圖3.5TBQ32牽引變壓器油箱側(cè)壁漏磁通云圖圖3.6TBQ32牽引變壓器油箱側(cè)壁漏磁通矢量圖圖3.7TBQ32牽引變壓器油箱上壁漏磁通云圖圖3.8TBQ32牽引變壓器油箱上壁漏磁通矢量圖圖3.9TBQ32牽引變壓器油箱下壁漏磁通云圖圖3.10TBQ32牽引變壓器油箱下壁漏磁通云圖牽引變壓器油箱上下壁漏磁通主要集中在鐵芯兩柱軸的對應(yīng)位置，方向?yàn)橄蛩闹軘U(kuò)散。輔助繞組對油箱壁來說，無屏蔽效果；由于輔助繞組為多匝線圈，線圈之間存在間隙，無法形成較大的渦流效應(yīng)來抑制漏磁對油箱壁的影響。若輔助繞組處于工作狀態(tài)時能有效降低油箱壁的漏磁和渦流損耗。但本文研究對象不含輔助線圈，牽引變壓器上下油箱壁上漏磁峰值為。3.2變壓器渦流及渦流損耗牽引變壓器是一種既導(dǎo)磁又導(dǎo)電的材料，當(dāng)繞組中通過電流時，在繞組周圍會產(chǎn)生磁場，磁力線穿過導(dǎo)體時導(dǎo)體中便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢在導(dǎo)體中將產(chǎn)生電流回路，導(dǎo)體將會發(fā)熱。這些熱能消耗在自身中，并未對外有能量的輸出。因此將之稱為渦流損耗。3.2.1渦流損耗有限元分析在計算矢量場時可以將矢量當(dāng)成三個標(biāo)量的耦合：、、，然后使用標(biāo)量插值公式：(3.7)使用后得到(3.8)式：(3.8)利用上式進(jìn)行有限元分析，稱之為磁矢勢法。這種方法計算量大，速度慢，對電腦運(yùn)行儲存量要求高，在計算時不方便加邊界條件，并且存在精度問題。利用棱邊單元的方法可以得到簡化并且提高精度。80年代，有科學(xué)家應(yīng)用一階或二階等參六面體研究三維場，甚至將單元形狀擴(kuò)展為四面體、金字塔、楔形。這種方法極大地方便了對牽引變壓器渦流的求解。根據(jù)電磁場公式及庫侖定律可得到(3.9)和（3.10）式：(3.9)(3.10)公式說明：為磁導(dǎo)率，Js是源電流密度。渦流密度Je可表示為：(3.11)由此可以計算出渦流損耗P的值：(3.12)式中，為渦流區(qū)域，為周期，Je為渦流密度。3.2.2ansys有限元分析Ansys公司于1970年成立，一直致力于分析軟件的開發(fā)。Ansys軟件是一款大型的有限元分析軟件?？梢蕴幚斫Y(jié)構(gòu)、熱、電磁、聲學(xué)等各類問題，廣泛用于鐵路、航天、船舶、機(jī)械、土木、水利、生物、石油等各大領(lǐng)域。Ansys有限元分析由三部分組成：前處理模塊、求解模塊、后處理模塊。前處理模塊：前處理模塊用于用戶建立有限元模型，內(nèi)部提供超過100中單元模型。根據(jù)實(shí)際研究對象的結(jié)構(gòu)、材料屬性設(shè)置相關(guān)參數(shù)及選擇合適的單元類型。在計算機(jī)的輔助下建立適用的有限元模型。求解模塊：在這個模塊中，用戶可以對研究對象施加激勵條件和載荷等，從而進(jìn)行力學(xué)、場等的有限元分析。在電氣化領(lǐng)域，主要對電磁場的電磁分布、磁力線分布、電感、電容、磁通量、渦流等進(jìn)行分析研究。后處理模塊：利用求解模塊求解后，可以通過后處理模塊對求解結(jié)果進(jìn)行查看。其中后處理模塊由POST1和POST26組成。POST1可以對計算的電磁場力、溫度場等進(jìn)行云圖或矢量圖的輸出。POST26可以根據(jù)某一時間響應(yīng)路徑給出相關(guān)的數(shù)據(jù)分布圖、關(guān)系圖、折線圖、曲線圖及列表等等。3.2.3變壓器渦流分布圖TBQ32牽引變壓器油箱厚為6mm，上下壁厚為10mm。油箱壁相對磁導(dǎo)率為400，電阻率為0.224e-6。接下來給出由ansys軟件分析得出的油箱渦流分布圖。 圖3.11TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板渦流場及渦流損耗云圖（無輔助） 圖3.12TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板渦流場及渦流損耗云圖（帶輔助）圖3.13TBQ32牽引變壓器油箱下壁渦流場及渦流損耗（無輔助）圖3.14TBQ32牽引變壓器油箱下壁渦流場及渦流損耗（帶輔助）圖3.15TBQ32牽引變壓器油箱上壁渦流場及渦流損耗（無輔助）圖3.16TBQ32牽引變壓器油箱上壁渦流場及渦流損耗（帶輔助）圖3.17TBQ32牽引變壓器油箱右壁渦流場及渦流損耗（無輔助）圖3.18TBQ32牽引變壓器油箱右壁渦流場及渦流損耗（帶輔助）圖3.19TBQ32牽引變壓器油箱左壁渦流場及渦流損耗（無輔助）圖3.20TBQ32牽引變壓器油箱左壁渦流場及渦流損耗（帶輔助）圖3.21TBQ32牽引變壓器油箱前壁渦流場及渦流損耗（無輔助）圖3.22TBQ32牽引變壓器油箱前壁渦流場及渦流損耗（帶輔助）表3.1TBQ32牽引變壓器油箱渦流總表牽引主變壓器型號下壁(Watts)上壁(Watts)右側(cè)壁(Watts)左側(cè)壁(Watts)前壁(Watts)總損耗(Watts)TBQ32-5280kVA（無輔助）68.5*294.4*2222.3*2188.6*2943.3*21519.1*2TBQ32-5280kVA(帶輔助)71.0*2265.2*297.0*2165.6*2946.4*21545.2*2對比TBQ32-5820kVA牽引變壓器帶輔助繞組(輔助繞組處于閑置狀態(tài))和不帶輔助繞組兩種情況下漏磁、渦流場及溫度場分布可知：輔助繞組對油箱壁來說，無屏蔽效果；由于輔助繞組為多匝線圈，線圈之間存在間隙，無法形成較大的渦流效應(yīng)來抑制漏磁對油箱壁的影響。若輔助繞組處于工作狀態(tài)時能有效降低油箱壁的漏磁和渦流損耗。其油箱壁與繞組之間的布置是相對合理的。3.3溫度場分析3.3.1熱傳遞方式熱傳遞分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式。（1）熱傳導(dǎo)：兩物體相互接觸，由于他們之間存在溫度差而引起的內(nèi)能相互交換。能量流動方向由溫度高者流向溫度低者。熱傳導(dǎo)定律可由傅里葉公示表達(dá)：(3.13)式中，“-”表示能量由高溫者流向低溫者，k為導(dǎo)熱系數(shù)。（2）熱對流：一般發(fā)生在液體和氣體介質(zhì)中。熱對流由兩種形式，自然對流和強(qiáng)制對流。牛頓冷卻方程可以用來描述熱對流：(3.14)式中，h為膜傳熱系數(shù)，Ts為固體表面溫度，為周偉流體溫度。熱輻射：物體所發(fā)出的的電磁能，于接收物體發(fā)生能量交換產(chǎn)生熱能。呢個梁交換效率與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。一般來說，真空中熱輻射效率最高。熱輻射的熱量傳遞可用斯蒂芬-玻爾茲曼公式表示：(3.15)式中，為熱效率，為輻射率，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。A為兩輻射面面積，F(xiàn)為形狀系數(shù)，T為兩物體的絕對溫度。3.3.2變壓器熱效應(yīng)變壓器在運(yùn)行的時候，能量轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到100%。在能量轉(zhuǎn)換中會產(chǎn)生各種損耗。這些損耗不對外做功，而是全部轉(zhuǎn)換為熱能的形式。繞組、鐵芯、油箱等便是主要發(fā)熱結(jié)構(gòu)。油浸式變壓器中，熱量主要由熱傳導(dǎo)形式散出。熱量最終傳導(dǎo)到郵箱壁上，靠對流實(shí)現(xiàn)。因而本文主要對變壓器鐵芯和油箱溫度場進(jìn)行分析。圖3.17TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板的溫度場分布（無輔助）圖3.17TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板的溫度場分布（帶輔助）圖3.18TBQ32牽引變壓器油箱壁的溫度場分布（無輔助）圖3.18TBQ32牽引變壓器油箱壁的溫度場分布（有輔助）TBQ32牽引變壓器鐵芯夾板及油箱溫升牽引主變壓器的型號鐵芯夾板最高溫升(℃)油箱壁最高溫升(℃)TBQ32-5280kVA（無輔助）2.625.7TBQ32-5280kVA(帶輔助)2.625.5對于采用同心式繞組結(jié)構(gòu)的牽引變壓器的鐵芯夾板的渦流較小，溫升也較低。TBQ32-5820kVA型牽引變壓器的油箱壁的渦流損耗及局部最高溫升較大，建議采用一定的磁屏蔽或電屏蔽措施。3.4本章小結(jié)對于TBQ32牽引變壓器的各物理場分析，提出以下幾點(diǎn)：(1)對比TBQ32-5820kVA牽引變壓器帶輔助繞組(輔助繞組處于閑置狀態(tài))和不帶輔助繞組兩種情況下漏磁、渦流場及溫度場分布，一般輔助繞組對油箱壁來說屏蔽效果不明顯；但本文研究對象渦流影響較大，可考慮加入輔助繞組。若輔助繞組處于工作狀態(tài)時能有效降低油箱壁的漏磁和渦流損耗。(2)根據(jù)對TBQ32牽引變壓器的渦流損耗和溫度場分布可知，其油箱壁與繞組間的布置結(jié)構(gòu)相對是合理的。(3)由TBQ32牽引變壓器的鐵芯夾板渦流損耗和溫升可知：牽引變壓器的鐵芯夾板的渦流較小，溫升也較低。(4)由TBQ32牽引變壓器的油箱壁渦流損耗和溫升可知：其油箱壁的渦流損耗及局部最高溫升均較大；因此，建議采用一定的磁屏蔽或電屏蔽措施。本章給出了TBQ32牽引變壓器鐵芯的主磁通及漏磁通的云圖和向量圖。分析了漏磁通的集中處和改善建議。對渦流產(chǎn)生的原因和分析手段進(jìn)行了闡述，給出了油箱的渦流場分布圖。并對變壓器的鐵芯夾板和油箱壁的溫度場進(jìn)行出圖及分析。結(jié)論在現(xiàn)今社會科技飛速發(fā)展的時代，人們的生活質(zhì)量有了很大提高。電氣化鐵路作為低能耗，高效率，相對環(huán)保的運(yùn)輸工具，在人類社會占據(jù)著舉足輕重的位置。電力機(jī)車上的牽引變壓器作為動車組的心臟部件，其運(yùn)行穩(wěn)定性，各方面耐受性對于機(jī)車的運(yùn)輸穩(wěn)定和安全起著決定性的作用。牽引變壓器多繞組，高漏抗的特性，其各種物理場有著極為復(fù)雜的特性，因此，對牽引變壓器的多物理場研究分析有著極其重要的意義。隨著數(shù)學(xué)領(lǐng)域和科學(xué)的發(fā)展，有限元分析技術(shù)被廣泛用于各種場的模擬分析。在電氣化領(lǐng)域中，有限元分析法極大地方便了對電機(jī)、變壓器等設(shè)備的模擬分析。其基本思想是將一個連續(xù)的物體結(jié)構(gòu)離散化，分割成有限個單元。并對這些單元安置有限個節(jié)點(diǎn)。單元與單元之間便通過節(jié)點(diǎn)相連接。這樣便可以將一個連續(xù)的物體看做是有限個單元的組合。接下來便建立場函數(shù)，這些節(jié)點(diǎn)為場函數(shù)的基本變量。并且在每個單元中假設(shè)一個近似的差值函數(shù)來表示單元中場函數(shù)的分布情況，再建立有限元方程組。這樣一來，便將一個由無限單元所組成的物體轉(zhuǎn)化為有限性的方程求解問題。本文根據(jù)2014年株洲電車場研制的TBQ32牽引變壓器實(shí)際參數(shù)和結(jié)構(gòu)，利用ansoftmaxwell3D和ansys軟件對變壓器進(jìn)行建模以及各種物理場的分析。主要有：對電氣化鐵路發(fā)展史及我國動車發(fā)展史進(jìn)行概述。對牽引變壓器的發(fā)展史和牽引變壓器各種繞組類型的進(jìn)行簡述。提出了對變壓器電磁場分析的必要性和重要性。簡述了電磁場的基本理論，介紹了有限元分析法。利用麥克斯韋方程組的基本原理，結(jié)合ansoftmaxwell3D、ansys軟件，根據(jù)TBQ32牽引變壓器實(shí)際參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立及模型離散化。利用模型，用軟件對牽引變壓器的主磁通、漏磁通進(jìn)行分析，計算出了變壓器油箱的渦流分布及渦流損耗。有限元對三維場的分析提供了很大方便。通過對牽引變壓器電磁場的三維分析，可以了解到變壓器內(nèi)部物理場的特性，有助于分析變壓器內(nèi)部電磁場、電場、溫度場的問題。對變壓器設(shè)計人員提供了一定的依據(jù)。在對變壓器的研制和有限元分析中，還可在以下方面進(jìn)行進(jìn)步一步的探索：本文在研究渦流模型的時候，為使研究簡化和方便需要，忽略了一些邊緣效應(yīng)。但是在變壓器研發(fā)的時候，為了提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在相關(guān)邊緣條件的假設(shè)以及在模型上的建立需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。由于變壓器為各部分結(jié)構(gòu)線性差異較大，因此，在離散化時對其單元劃分要求較高。這也是有限元分析法中無法忽視的難題。因此，在有限元分析法正值物理場分析的主流的方法時，解決這一瓶頸問題也是當(dāng)下值得攻克的方向。盡管牽引變壓器在尺寸和重量上有著苛刻的要求，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以根據(jù)安裝空間及渦流漏磁分布進(jìn)行優(yōu)化。例如對變壓器油箱的局部加厚或者是采取電屏蔽的方式可以使油箱漏磁得到很好地改善。參考文獻(xiàn)[1]謝德馨,姚纓英,白保東,李錦彪.三維渦流場的有限元分析.機(jī)械工業(yè)出版社，2001:1-19[2]湯蘊(yùn)瓔編著.電機(jī)內(nèi)的電磁場(第二版).科學(xué)出版社,1998:1-14[3]陳丕章,嚴(yán)烈通,姚若萍.電機(jī)電磁場理論計算，科學(xué)出版社,1986:106-107[4]B.0.Pedersen等.丹麥國家鐵路EG3100型C0’C0’雙流制機(jī)車(一)[J].變流技術(shù)與電力牽引，2001.[4]唐黎標(biāo).電力變壓器常見故障及診斷技術(shù).安全，2008.[5]喻奇，吳江濤.客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)電氣特性的仿真研究[J].電氣化鐵道，2010,5:11-13.[6]黃足