(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210839740.9 (22)申请日 2022.07.18 (71)申请人 华北电力大 学 （保定） 地址 071003 河北省保定市莲池区永华北 大街619号 (72)发明人 朱新凯　周晔　齐广宇　王玉彬　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 任志艳 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合 分析的等效边界方法 (57)摘要 本发明提出了一种对超导电机内超导磁体 进行多物理场耦合分析的等效边界方法， 无需在 同一物理模型中完成超导电机和超导磁体的数 值模拟计算。 包括超导电机物理模 型的搭建与仿 真计算， 超导磁体物理模型的搭建与仿真计算， 所述超导磁体物理模型的初始输入条件采用超 导电机中超导磁体所处部分边界磁场、 热场等计 算结果用狄利克雷边界条件等效替代。 根据本发 明方法能避免建模仿真时超导电机和超导磁体 网格剖分尺 寸差距过大而仿真负 担重的难题， 能 有效减少超导电机系统仿真分析时间， 同时保证 计算精度。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 115238545 A 2022.10.25 CN 115238545 A 1.一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤1， 利用有限元仿真软件对超导电机进行建模， 对超导电机进行网格剖分， 在超导 磁体周围建立 一个矩形等效边界， 作为超导磁 体等效边界； 并对磁场、 温度场和应力场分布进行计算， 获取超导磁体等效边界上的磁场、 温度场和 应力场数值， 作为超导磁 体的多场边界条件； 步骤2， 利用有限元仿真软件对超导电机中的超导磁体进行建模， 将步骤1中得到的超 导磁体的多场边界条件作为超导磁体多物理场分析的初始输入边界条件， 计算在该初始输 入边界条件下超导磁体的电流分布、 电流密度分布情况、 磁场变化情况、 温度场和应力场的 分布情况； 步骤3， 根据超导线的温度、 磁场、 电流的临界条件， 判断超导磁体产生的交流损耗是否 满足制冷功率的要求、 判断超导线圈的临界电流是否能满足电机性能的需求、 以及超导线 圈是否会发生失超； 如果超导磁体产生的交流损耗不满足制冷功率的要求、 超导线圈的临界电流不满足电 机性能的需求、 或超导线圈发生失超， 则新设计超导电机电磁参数， 返回步骤1。 2.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方 法， 其特征在于， 步骤1中假设了超导磁体工作于超导状态且能满足超导电机对超导磁体性 能的要求， 超导电机中电磁场、 温度场、 应力场的变化均不会影响超导磁 体的性能。 3.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方 法， 其特征在于， 步骤1具体包括： 获取空载、 负载、 短路故障状态下超导电机运行在超导磁 体周围产生的谐波磁场分布、 温度分布、 应力分布， 并记录在空载、 负载、 短路故障状态下对 应的超导磁 体等效边界的磁场、 温度场和应力场数值， 作为超导磁 体的多场边界条件。 4.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方 法， 其特征在于， 步骤2还包括对超导磁体进行网格剖分， 超导磁体的网格剖分采用映射网 格。 5.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方 法， 其特征在于， 所述判断超导线圈是否会发生 失超的方法具体为： 通过有限元仿 真软件完 成对超导线圈电流、 磁场、 电压的计算， 然后， 根据超导磁体的E ‑J模型中通过电压判断超导 磁体是否失超。 6.根据权利要求1所述一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方 法， 其特征在于， 步骤3中， 所述电机电磁参数包括超导线圈的匝数、 并绕根数、 通入的电流 大小， 也包括超导电机的永磁 体厚度和极槽比。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115238545 A 2一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界 方法 技术领域 [0001]本发明涉及 一种对超导电机内超导磁体多物理场耦合分析的等效边界方法， 可以 实现超导电机本体与电机内的超导磁体两者建模的解耦， 能减少超导电机及内部磁体运行 特性的仿真 分析时间， 同时保证 计算精度。 背景技术 [0002]随着新能源风力发电的发展， 为提高发电效率， 降低单位容量的发电成本， 电机的 单机容量越来越大。 永磁直驱风力发电机组是当前海上风力发电中的主流机型， 但随着单 机容量要求的增大， 已经无法满足10MW及以上功 率等级的直 驱式风力发电机的高功 率密度 要求。 因此， 研究具有高功 率密度及高效率的高温超导电机， 对于能源的升级 具有十分重要 的意义。 [0003]高温超导磁体是指利用高温超导带材绕制而成的线圈， 主要用来产生磁场。 高温 超导磁体工作状态的变化会影响超导电机的稳定性。 超导带材是否工作于超导状态下主要 受到三个物理参数的影响： 所 处环境的磁场、 温度以及流过超导磁体电流的大小。 这三个参 数的制约关系决定了超导磁体的工作特性， 任意一个参数超过了其临界值均会导致超导磁 体失去超导电性， 因而导致超导电机无法正常工作。 因此在超导磁体多物理场耦合仿真计 算时， 对其 边界条件设定的准确程度决定 了仿真计算结果的准确度。 [0004]在超导磁体中通入直流电时不会产生交流损耗， 但通入交流电时会存在磁滞损 耗、 涡流损耗以及耦合损耗等， 在这种情况下， 超导磁体的冷却系统的设计就需要考虑其损 耗产生的热量以控制其温度场， 防止超导磁体失超。 将超导磁体应用于超导电机内部时， 超 导磁体将处于低 温、 交直流混杂、 轴径向电磁力作用的复杂磁场环境中。 温度、 交直流磁场 和电磁力分别影响着超导线圈的热稳定性、 交流损耗和机械稳定性， 反过来， 超导磁体的运 行状态也将影响超导电机的电磁性能、 机械特性和发热状态。 超导磁体性能与电机性能间 是通过电、 磁、 热与应力场媒介耦合在一起的。 因此， 需要研究超导磁体与电机系统间的电 ‑ 磁‑热‑应力多场耦合特性。 [0005]为了解决超导电机系统多物理场 耦合分析时， 超导电机本体建模尺度与超导线圈 精细模型建模尺度上 的巨大差异， 造成的多物理场耦合分析困难且仿真时间长的难题， 本 发明提出了一种电机内超导磁 体多物理场耦合分析的等效边界法。 发明内容 [0006]发明目的： 为了解决超导电机与 超导磁体同时建模时因网格剖分尺寸差距较大导 致仿真分析负担重的问题， 同时保证超导电机与超导磁体设计的精确 性， 本发明提出了一 种电机内超导磁 体多物理场耦合分析的等效边界方法。 [0007]本发明的一种对超导电机内超导磁体多物理场 耦合分析的等效边界方法， 包括如 下步骤：说　明　书 1/3 页 3 CN 115238545 A 3