[发明专利]永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法

权利要求书

1.一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)建立永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型，设定模型中各结构材料的参数；

(2)在建模过程中，对限流铜绕组施加外部激励，通过控制负载的短路状态，实现永磁饱和型故障限流器工作状态的切换；

(3)设置仿真参数，利用有限元软件Ansoft对所述模型进行仿真；得到永磁饱和型故障限流器半波限流拓扑由正常工作状态过渡到故障限流状态的磁场分布图；

(4)以永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型为基础，利用Ansoft建立永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构3D模型；

(5)考虑设备的热稳定度，在ANSYS中建立瞬态热学分析模型，把电磁场计算数据作为热学分析模型的外载荷使用；对所述瞬态热学分析模型进行有限单元网格剖分，使所述分析模型的计算结果更接近真实结果；

(6)完成有限单元网格剖分后，进行边界条件的设置和映射激励添加；将损耗映射到结构网格中，利用solve求解器进行求解计算,得到模型的温度分布，将温度场图映射到永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构3D模型中，通过ANSYS的后处理器得到任意时刻的整个永磁饱和型故障限流器设备的温度场计算结果，并显示出整个温度场的动态变化过程。

2.如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，其特征是，所述步骤(1)中建立的永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型具体为：

1)整个区域为计算求解域，求解域外假设为真空；设置外边界条件时引入无穷远边界条件，即气球边界条件；在设置气球边界条件的边线上，磁场既不垂直边线也不平行于边线；

2)铁心部分的材料为R2K3D型铁氧体；

3)铁氧体的相对磁导率为非线性，输入材料的相对磁导率数据获得BH曲线；

4)永磁体材料为NDFe35，充磁方向为Y轴方向，并且两端永磁体充磁方向相反，在整个结构中形成闭合磁路；

5)两个铁心外都缠绕着限流铜绕组。

3.如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，其特征是，所述步骤(2)中对限流铜绕组施加的外部激励电路具体为：

工频电压源Vc1、负载电阻R1、限流铜绕组W1和W2、永磁饱和型故障限流器以及电流表A1依次串联连接；在所述负载电阻R1上设置压控开关S_v，它自身的开断则受到脉冲电压源Vc2的控制；初始时刻开关断开，线路处于正常运行状态，某一时刻后开关闭合，则正常工作负载被短路，系统处于短路故障状态。

4.如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，其特征是，所述步骤(4)中建立的永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构3D模型具体为：

1)外包围透明区为计算求解域，外部区域指定为真空；设置外边界条件时，采用默认边界条件，即磁场强度切向分量恒为零边界条件，除此之外，还需要考虑辐射边界条件，该边界条件用来模拟需要考虑到的散磁的情况，即在无穷远处磁场为零；

2)在3D模型中，永磁体和软磁铁心结构均为长方体；两端永磁体充磁方向相反，整个限流器铁心与永磁体形成环状闭合磁路；

3)两个软磁铁心外绕制交流铜绕组；在建立模型过程中，交流铜绕组为需要设定激励源的路径；三维模型的绕组中，在两个铜绕组上截出两个平面，作为电流流入面，而后在截面上施加电流激励。

5.如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，其特征是，所述步骤(5)的具体方法为：

在ANSYS Workbench中调用Maxwell 3D模块，导入之前建立的永磁饱和型故障限流器半波限流拓扑3D模型及电磁场计算结果文件，建立瞬态热学分析模块，并将电磁场计算结果文件读入，把电磁场计算数据作为热学分析的外载荷使用。

6.如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，其特征是，所述步骤(6)中在进行网格剖分设置时，选择inside selection剖分设置对模型整个内部进行剖分，在剖分设置界面中可设定单元最大边长和所需最大单元数；在设定单元最大边长时，若数值过大，无法保证计算的精确度；若数值过小，则计算量过大导致计算时间过长；经过多次仿真及结果比较，选定最适合的能保证较优精确度和占用较少系统资源的单元最大边长值。