一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法
一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高电压绝缘设计领域，具体涉及一种用于高压电机的主绝缘防晕结构 优化计算方法。
【背景技术】
[0002] 大型高压电机端部出槽口处容易引起电场集中而引发局部电晕甚至放电，电晕的 产生不仅使得电机在运行过程产生不稳定因素，效率降低，还会破坏电机绝缘层的结构，影 响定子线圈的使用寿命，这也成为了大型高压电机提升自身容量的一个限制条件。传统电 机绝缘防晕结构设计主要有三种方法：经验与工程近似法、链路模型法和有限元法，其中有 限元法在近几年不断发展完善的过程中越发地被广泛应用于电机设计当中，但由于高压电 机主绝缘防晕层结构参数之间相关度较高，单纯考虑其中一个参数变化对于电机端部电场 分布的影响毫无意义，而且人工修改计算过程中的参数重复计算会消耗过多的人工物力， 更加不便于分析。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种能够避免防晕 结构优化过程中重复建模、设置材料属性、仿真计算、分析等繁琐过程，节省了人力物力，能 够提高电机端部防晕结果的设计效率，计算精度高、工作流程简单的用于高压电机的主绝 缘防晕结构优化计算方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，步骤包括：
[0006] 1)利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建 模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后 将计算过程转存为脚本文件；
[0007] 2)将所述脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入 变量向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取 仿真计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损 耗密度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；
[0008] 3)设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量 P，将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标 函数最优解所对应的变量向量P。
[0009] 优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：
[0010] 1. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化 计算的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，得到的物理模型为嵌 入铁心的单根直的线棒，所述线棒外的体域包括主绝缘、空气域以及由低阻防晕层、中阻防 晕层、高阻防晕层依次搭接形成的防晕层；所述待优化计算的防晕结构参数包括各个防晕 层的长度、电阻率和非线性系数；
[0011] 1. 2)将所述物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场 耦合仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输 入主绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示；
[0012] p=pse-p|du/dx| (1)
[0013] 式⑴中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各 防晕层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的 位移增量；
[0014] 1. 3)在添加边界条件时，将所述物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压 源，高压源的电位值输入高压电机的一分钟耐压正弦电压峰值，将铁心所有外表面设置为 接地条件，添加边界条件后，对所述物理模型进行剖分网格；
[0015] 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率并进行求解；
[0016] 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文 件，在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防 晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所 有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。
[0017] 优选地，所述步骤1. 1)得到的物理模型中，所述线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者 中相邻两者之间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同 于电阻率较低一侧防晕层的电阻率；所述线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈， 所述低阻防晕层覆盖端部线圈直线及转角部分，且所述物理模型中曲线部分的曲率及周围 其他线圈所带来的影响忽略不计。
[0018] 优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：
[0019] 2. 1)在所述脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将所述 脚本文件修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件；
[0020] 2. 2)在所述脚本文件内将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化 数据；
[0021] 2. 3)删除所述脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，利用脚 本文件编译软件的采取函数对物理模型中记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合 仿真软件内所相对应的面域编号的表面电场强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线 段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分 别获取防晕层末端的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构；
[0022] 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求 建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。
[0023] 优选地，所述步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下：
[0024] 2. 4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结 构，判断所述防晕层末端相对线棒的电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层 表面相对线棒的电位要求值Uendd、所述表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机 对于防晕层表面的表面电场强度要求值Emaxp所述表面损耗密度的最大值Wmax小于预设 的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(lS个条件是否同时成立，如果同 时成立则跳转执行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值；
[0025] 2. 4. 2)目标函数输出结果为所述表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电 机对于防晕层表面的电场强度要求值EmaX(l、所述表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(l、所述电位的最大值Uend除以预设 的高压电机对于防晕层表面相对线棒的电位要求值Uenc^的结果再加上目标函数默认值减 1三者的乘积。
[0026] 优选地，所述预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度的要求值EmaX(lS 8.Ie5,预设的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度的要求值WmaX(lS6e6,预设的高压 电机对于防晕层表面相对线棒的电位的要求值Uenc^S3. 9e4。
[0027] 优选地，所述步骤3)的详细步骤如下：
[0028] 3. 1)初始设置目标函数最优解、迭代次数、输出向量零矩阵、输入变量零矩阵以及 待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围；
[0029] 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生 成变量向量P，每一次迭代对应一个变量向量P;每生成一组变量向量P，循环调用仿真计算 函数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的 目标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优 解小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向 量零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算 结果无法收敛而出错被强 制退出，则跳转执行步骤3. 1)重新设置待优化计算的防晕结构 参数的离散变化范围；
[0030] 3. 3)输出目标函数最优解以及相对的变量向量p矩阵。
[0031] 本发明用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法具有下述优点：本发明考虑 了各防晕层参数集体发生变化时对于电机端部防晕效果的影响，采用了有限元方法计算电 机端部电场，拥有较高的计算精度，采用自循环方法寻找最优目标函数求得防晕层各个参 数的最佳组合，程序可以自行循环设计电机防晕层结构参数，并通过比较每一次目标函数 的计算结果，得出防晕结果的最佳方案，能够避免防晕结构优化过程中重复建模、设置材料 属性、仿真计算、分析等繁琐过程，节省了人力物力，能够提高电机端部防晕结果的设计效 率，具有计算精度高、工作流程简单的优点，对高压电机防晕层结构的优化设计起到指导作 用。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
[0033] 图2为本发明实施例方法中物理建模得到的物理模型的局部剖视结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示，本实施例用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法的步骤包 括：
[0035] 1)利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建 模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后 将计算过程转存为脚本文件；
[0036] 2)将脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入变量 向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取仿真 计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损耗密 度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；
[0037] 3)设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量 P，将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标 函数最优解所对应的变量向量P。
[0038] 本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：
[0039] 1. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化 计算的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，参见图2,本实施例得 到的物理模型为嵌入铁心1的单根直的线棒2,线棒2外的体域包括主绝缘21、空气域22 以及由低阻防晕层231、中阻防晕层232、高阻防晕层233依次搭接形成的防晕层23 ;待优 化计算的防晕结构参数包括各个防晕层的长度、电阻率和非线性系数，具体如表1所示；
[0040] 表1:待优化计算的防晕结构参数表。
[0043] 1. 2)将物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场耦合 仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输入主 绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示；
[0044] p=pse-p|du/dx| (1)
[0045] 式⑴中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各 防晕层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的 位移增量；本实施例中，主绝缘以及各防晕层属于非典型材料，需要利用第二种方法定义其 材料属性，电机主绝缘电导率设置为2e_17,相对介电常数为4 ;低阻层、中阻层以及高阻层 的相对介电常数定义为12,而在定义防晕层材料属性电导率时输入值分别为：
[0046] 低阻防晕层：l/(r_l*thickness_anti*le-3);
[0047] 中阻防晕层：exp(beta_m*le_5*ec.normE) / (r_m0*thickness_anti*le_3);
[0048] 高阻防晕层：exp(beta_h*le_5*ec.normE) / (r_h0*thickness_anti*le_3);
[0049] 其中，le-5与le-3为单位换算系数，ec.normE表示电场强度，其余参数的中文含 义详见表1。
[0050] 1. 3)在添加边界条件时，将物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压源，高 压源的电位值输入高压电机（额定电压26kV)的一分钟耐压正弦电压峰值110kV，将铁心所 有外表面设置为接地条件，添加边界条件后，对物理模型进行剖分网格；
[0051] 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率（本实施例中具体为50Hz)并进行求解；
[0052] 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文 件，在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防 晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所 有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。
[0053] 本实施例中，步骤1. 1)得到的物理模型中，线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者中相 邻两者之间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同于电 阻率较低一侧防晕层的电阻率；线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈，低阻防晕 层覆盖端部线圈直线及转角部分，且物理模型中曲线部分的曲率及周围其他线圈所带来的 影响忽略不计。
[0054] 本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：
[0055] 2. 1)在脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将脚本文件 修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件；
[0056] 本实施例中，具体为在脚本文件的首行引入：functionout=e_optimation(p)， 其中e_optimation为仿真计算函数的函数名，p表示仿真计算函数的参数（变量向量）。
[0057] 2. 2)在脚本文件的将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化数据；
[0058] 本实施例中，具体赋值伪代码为：
[0059] model,param.set('length_l' ,p(1))；
[0060] model,param.set(，length_m，，p(2));
[0061] model,param.set('length_h'，p(3));
[0062] model,param.set('r_l' ,p(4))；
[0063] model,param.set('r_m0' ,p(5))；
[0064] model,param.set('r_h0' ,p(6))；
[0065]model,param.set(，beta_m，，p(7));
[0066]model,param.set(，beta_h，，p(8));
[0067] 上述伪代码中，model,param.set表示赋值操作函数，第一个参数的含义详见表 1，length代表长度，r代表电阻，beta代表非线性系数，后标1代表低阻层，m代表中阻层， h代表高阻层；第二个参数则分别表示变量向量p内的各个变量，例如p(l)表示变量向量p 内的第一个变量，P(2)表示变量向量p内的第二个变量，依次类推。
[0068] 2. 3)删除脚本文件后的原后处理程序语句（"model,sol('soil'）?runAll; "语 句后面）以及涉及模型的可视操作，利用脚本文件编译软件的采取函数对物理模型中记录 的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号内的表面电场 强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应 的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分别获取防晕层末端电位、表面电场强度和表 面损耗密度的数据结构；
[0069] 由于云图后处理程序将会占用过多电脑 内存，影响程序计算时间，降低优化效率， 本实施例中通过删除脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，能够极大 地减少对计算机资源的占用以及提高计算的效率。
[0070] 本实施例中，具体是利用脚本文件编译软件的采取函数mpheval对物理模型中防 晕层指定域的电位、电场强度和表面损耗密度进行采取，其伪代码为：
[0071] ffonsurface_i=mpheval(model, {'ec.Qh' }, 'edim' , 2, 'selection' ,i)；
[0072] Eonsurface」=mpheval(model, {' _ec.Ez' }，'edim'，2, 'selection'，i)；
[0073] Uonline」=mpheval(model, {'V' }，'edim'，1，'selection'，i)；
[0074] 其中，model, {'ec.Qh'}代表表面损耗密度；model, {'_ec.Ez'}代表防晕层切 向电场强度分量；model，{'V'}代表电位；'edim'后面的第一个数字1代表选取的域为 线域，2代表选取的域为面域；'selection'，i代表记录的的面域或线域的编号，编译时需 要填入记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、 高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的具体数 值。mpheval函数的计算结果表面损耗密度Wonsurface」、电场强度Eonsurface」及电位 Uonline」等数据是结构型，并不是计算所用的矩阵型数据，所以采取数据后，在结构性数 据后面加上dl"取出可用于计算的矩阵型数据，然后需要先后两次利用max函数取出其 中每组数据的最大值以帮助目标函数的编写，其伪代码如下：
[0075] ffmaxon_i=max(ffonsurface_i.dl)；
[0076] Emaxon_i=max(Eonsurface_i.dl)；
[0077] Umaxon_i=max(abs(Uonline」.dl-Uoncoil))；
[0078]其中i代表记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应 的面域编号、高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编 号的具体数值，编译时需要填入具体数值；Uoncoil是线棒上的实时电压值。
[0079] 需要注意的是，利用mpheval函数采取所得到的防晕层末端电位是绝对电位， 也就是相对于大地为参考零电位时的值，而在进行优劣判断前，需要将防晕层末端电位 Uonline_i.dl与线棒的实时电压值Uoncoil(Uoncoil同样可以通过mpheval函数得到， 也可以通过线棒电压幅值与相角计算得到）相减并取绝对值，也就是取防晕层末端电位 Uonline」.dl、线棒的实时电压值Uoncoil两者之间的电位差，要求控制在高压电机对于 防晕层表面相对线棒的电位要求值Uenc^以内保证主绝缘不被击穿。在第一次使用max函 数得到111^1〇11_;[、￡1]^1〇11_;[、111]^1〇11_;[后，再次使用1]^1函数得到所有防晕层表面的最大电 场强度Emax和最大损耗密度Wmax、所有防晕层末端相对线棒电位的最大值Uend。
[0080] 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求 建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。
[0081] 本实施例中，步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下：
[0082] 2. 4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结 构，判断防晕层末端相对线棒电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层表面相 对线棒的电位要求值Uendd、表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机对于防晕层 表面的表面电场强度要求值Emax。、表面损耗密度的最大值Wmax小于预设的高压电机对于 防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(lS个条件是否同时成立，如果同时成立则跳转执 行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值（本实施例中具体值为5);
[0083] 2. 4. 2)目标函数输出结果为表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电机对 于防晕层表面相对线棒的电场强度要求值Emax。、表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值Wmaxp电位的最大值Uend除以预设的高 压电机对于防晕层表面的电位要求值Uenc^的结果再加上目标函数默认值减1 (本实施例 中具体值为4)三者的乘积。
[0084] 本实施例中，预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度要求值EmaX(lS 8.Ie5,预设的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度的要求值WmaX(lS6e6,预设的高压 电机对于防晕层表面相对线棒的电位的要求值Uenc^S3. 9e4。
[0085] 参见前述步骤2. 4. 1)~2. 4. 2)，本实施例中目标函数G_function的伪代码如 下：
[0086]ifWmax<6e6&Uend<3. 9e4&Emax<8.Ie5
[0087]G_function= (Emax/8.Ie5)*(Wmax/6e6)*(4+Uend/3. 9e4)
[0088]else
[0089]G_function= 5；
[0090]end
[0091]out=G_function；
[0092] 其中"out=G_function"表示将G_function的结果赋予out并返回到函数定义 行。
[0093] 需要说明的是，步骤3)的具体实现方式有多种，例如采用遗传算法工具箱或脚本 文件编译软件自带的循环方法，都可以实现对防晕层参数进行一定数值范围内的循环计 算，得到防晕结构的最优解。本实施例中，步骤3)中具体是使用脚本文件编译软件自带的 循环方法来实现对防晕层参数进行一定数值范围内的循环计算，得到防晕结构的最优解。
[0094] 本实施例中，步骤3)的详细步骤如下：
[0095] 3. 1)初始设置目标函数最优解（为目标函数默认值）、迭代次数（0)、输出向量零 矩阵、输入变量零矩阵以及待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围；
[0096] 本实施例中，步骤3. 1)的伪代码为（％后为注释）：
[0099] 上述依次设定离散形式的8个输入变量变化范围的伪代码中，左侧的变量表示待 优化计算的防晕结构参数，具体定义参见表1。
[0100] 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生 成变量向量P，每一次迭代对应一个变量向量P;每生成一组变量向量P，循环调用仿真计算 函数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的 目标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优 解小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向 量零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算 结果无法收敛而出错被强制退出，则跳转执行步骤3. 1)重新设置待优化计算的防晕结构 参数的离散变化范围，以保证每一次循环向量P都可以得到收敛的计算结果；
[0101] 本实施例中，步骤3. 2)的伪代码为（％后为注释）：
[0102]
[0103]
[0104] 3. 3)输出目标函数最优解以及相对应的变量向量p矩阵。
[0105] 本实施例中，步骤3. 3)的伪代码为（％后为注释）：
[0106] op %输出最优目标函数值
[0107] simu %输出最优目标函数值所对应的输入... 变量
[0108] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在于步骤包括： 1) 利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建模、定 义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后将计 算过程转存为脚本文件； 2) 将所述脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入变量 向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取仿真 计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损耗密 度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数； 3) 设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量p， 将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标函 数最优解所对应的变量向量P。2. 根据权利要求1所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于，所述步骤1)的详细步骤包括： I. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化计算 的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，得到的物理模型为嵌入铁 心的单根直的线棒，所述线棒外的体域包括主绝缘、空气域以及由低阻防晕层、中阻防晕 层、高阻防晕层依次搭接形成的防晕层；所述待优化计算的防晕结构参数包括各个防晕层 的长度、电阻率和非线性系数； 1. 2)将所述物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场耦合 仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输入主 绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示； P=Pse_ 咖dx| (1) 式（1)中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各防晕 层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的位移 增量； 1. 3)在添加边界条件时，将所述物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压源，高 压源的电位值输入高压电机的一分钟耐压正弦电压峰值，将铁心所有外表面设置为接地条 件，添加边界条件后，对所述物理模型进行剖分网格； 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率并进行求解； 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文件， 在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防晕层 所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所有线 段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。3. 根据权利要求2所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于：所述步骤I. 1)得到的物理模型中，所述线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者中相邻两者之 间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同于电阻率较低 一侧防晕层的电阻率；所述线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈，所述低阻防晕 层覆盖端部线圈直线及转角部分，且所述物理模型中曲线部分的曲率及周围其他线圈所带 来的影响忽略不计。4. 根据权利要求1或2或3所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其 特征在于，所述步骤2)的详细步骤包括： 2. 1)在所述脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将所述脚本 文件修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件； 2. 2)在所述脚本文件内将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化数据； 2. 3)删除所述脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，利用脚本文 件编译软件的采取函数对物理模型中记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真 软件内所相对应的面域编号的表面电场强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线段在 有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分别获 取防晕层末端的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构； 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求建立 用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。5. 根据权利要求4所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于，所述步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下： 2.4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构， 判断所述防晕层末端相对线棒的电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层表面 相对线棒的电位要求值Uendp所述表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机对于 防晕层表面的表面电场强度要求值EmaXp所述表面损耗密度的最大值Wmax小于预设的高 压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaxtlS个条件是否同时成立，如果同时成 立则跳转执行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值； 2. 4. 2)目标函数输出结果为所述表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电机对 于防晕层表面的电场强度要求值Emaxtl、所述表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的高压 电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值Wmaxtl、所述电位的最大值Uend除以预设的高 压电机对于防晕层表面相对线棒的电位要求值Uendtl的结果再加上目标函数默认值减1三 者的乘积。6. 根据权利要求5所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于：所述预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度的要求值EmaxtlS8.Ie5,预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaxtlS6e6,预设的高压电机对于防晕层 表面相对线棒的电位的要求值UendciS3. 9e4。7. 根据权利要求6所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于，所述步骤3)的详细步骤如下： 3. 1)初始设置目标函数最优解、迭代次数、输出向量零矩阵、输入变量零矩阵以及待优 化计算的防晕结构参数的离散变化范围； 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生成变 量向量p，每一次迭代对应一个变量向量p;每生成一组变量向量p，循环调用仿真计算函 数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的目 标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优解 小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向量 零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算结
【专利摘要】本发明公开了一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，步骤包括：利用有限元多物理场耦合仿真软件对主绝缘防晕结构进行物理建模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、设置求解器频率求解，将计算过程转存为脚本文件；将脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化参数引入变量向量p作为仿真计算函数文件的输入变量并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围并生成多组变量向量，将多组变量向量分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标函数最优解所对应的变量向量。本发明能够避免防晕结构优化过程中重复建模、仿真计算、分析等繁琐过程，降低了人工成本，提高了设计效率。
【IPC分类】G06F19/00, G06F17/50
【公开号】CN104899375
【申请号】CN201510306481
【发明人】侯海波, 李鸿岩, 黄友根, 王楷, 李忠良
【申请人】株洲时代新材料科技股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月5日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高电压绝缘设计领域，具体涉及一种用于高压电机的主绝缘防晕结构 优化计算方法。
【背景技术】
[0002] 大型高压电机端部出槽口处容易引起电场集中而引发局部电晕甚至放电，电晕的 产生不仅使得电机在运行过程产生不稳定因素，效率降低，还会破坏电机绝缘层的结构，影 响定子线圈的使用寿命，这也成为了大型高压电机提升自身容量的一个限制条件。传统电 机绝缘防晕结构设计主要有三种方法：经验与工程近似法、链路模型法和有限元法，其中有 限元法在近几年不断发展完善的过程中越发地被广泛应用于电机设计当中，但由于高压电 机主绝缘防晕层结构参数之间相关度较高，单纯考虑其中一个参数变化对于电机端部电场 分布的影响毫无意义，而且人工修改计算过程中的参数重复计算会消耗过多的人工物力， 更加不便于分析。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种能够避免防晕 结构优化过程中重复建模、设置材料属性、仿真计算、分析等繁琐过程，节省了人力物力，能 够提高电机端部防晕结果的设计效率，计算精度高、工作流程简单的用于高压电机的主绝 缘防晕结构优化计算方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，步骤包括：
[0006] 1)利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建 模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后 将计算过程转存为脚本文件；
[0007] 2)将所述脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入 变量向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取 仿真计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损 耗密度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；
[0008] 3)设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量 P，将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标 函数最优解所对应的变量向量P。
[0009] 优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：
[0010] 1. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化 计算的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，得到的物理模型为嵌 入铁心的单根直的线棒，所述线棒外的体域包括主绝缘、空气域以及由低阻防晕层、中阻防 晕层、高阻防晕层依次搭接形成的防晕层；所述待优化计算的防晕结构参数包括各个防晕 层的长度、电阻率和非线性系数；
[0011] 1. 2)将所述物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场 耦合仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输 入主绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示；
[0012] p=pse-p|du/dx| (1)
[0013] 式⑴中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各 防晕层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的 位移增量；
[0014] 1. 3)在添加边界条件时，将所述物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压 源，高压源的电位值输入高压电机的一分钟耐压正弦电压峰值，将铁心所有外表面设置为 接地条件，添加边界条件后，对所述物理模型进行剖分网格；
[0015] 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率并进行求解；
[0016] 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文 件，在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防 晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所 有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。
[0017] 优选地，所述步骤1. 1)得到的物理模型中，所述线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者 中相邻两者之间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同 于电阻率较低一侧防晕层的电阻率；所述线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈， 所述低阻防晕层覆盖端部线圈直线及转角部分，且所述物理模型中曲线部分的曲率及周围 其他线圈所带来的影响忽略不计。
[0018] 优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：
[0019] 2. 1)在所述脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将所述 脚本文件修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件；
[0020] 2. 2)在所述脚本文件内将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化 数据；
[0021] 2. 3)删除所述脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，利用脚 本文件编译软件的采取函数对物理模型中记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合 仿真软件内所相对应的面域编号的表面电场强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线 段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分 别获取防晕层末端的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构；
[0022] 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求 建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。
[0023] 优选地，所述步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下：
[0024] 2. 4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结 构，判断所述防晕层末端相对线棒的电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层 表面相对线棒的电位要求值Uendd、所述表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机 对于防晕层表面的表面电场强度要求值Emaxp所述表面损耗密度的最大值Wmax小于预设 的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(lS个条件是否同时成立，如果同 时成立则跳转执行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值；
[0025] 2. 4. 2)目标函数输出结果为所述表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电 机对于防晕层表面的电场强度要求值EmaX(l、所述表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(l、所述电位的最大值Uend除以预设 的高压电机对于防晕层表面相对线棒的电位要求值Uenc^的结果再加上目标函数默认值减 1三者的乘积。
[0026] 优选地，所述预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度的要求值EmaX(lS 8.Ie5,预设的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度的要求值WmaX(lS6e6,预设的高压 电机对于防晕层表面相对线棒的电位的要求值Uenc^S3. 9e4。
[0027] 优选地，所述步骤3)的详细步骤如下：
[0028] 3. 1)初始设置目标函数最优解、迭代次数、输出向量零矩阵、输入变量零矩阵以及 待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围；
[0029] 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生 成变量向量P，每一次迭代对应一个变量向量P;每生成一组变量向量P，循环调用仿真计算 函数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的 目标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优 解小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向 量零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算 结果无法收敛而出错被强 制退出，则跳转执行步骤3. 1)重新设置待优化计算的防晕结构 参数的离散变化范围；
[0030] 3. 3)输出目标函数最优解以及相对的变量向量p矩阵。
[0031] 本发明用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法具有下述优点：本发明考虑 了各防晕层参数集体发生变化时对于电机端部防晕效果的影响，采用了有限元方法计算电 机端部电场，拥有较高的计算精度，采用自循环方法寻找最优目标函数求得防晕层各个参 数的最佳组合，程序可以自行循环设计电机防晕层结构参数，并通过比较每一次目标函数 的计算结果，得出防晕结果的最佳方案，能够避免防晕结构优化过程中重复建模、设置材料 属性、仿真计算、分析等繁琐过程，节省了人力物力，能够提高电机端部防晕结果的设计效 率，具有计算精度高、工作流程简单的优点，对高压电机防晕层结构的优化设计起到指导作 用。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
[0033] 图2为本发明实施例方法中物理建模得到的物理模型的局部剖视结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示，本实施例用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法的步骤包 括：
[0035] 1)利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建 模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后 将计算过程转存为脚本文件；
[0036] 2)将脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入变量 向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取仿真 计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损耗密 度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；
[0037] 3)设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量 P，将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标 函数最优解所对应的变量向量P。
[0038] 本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：
[0039] 1. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化 计算的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，参见图2,本实施例得 到的物理模型为嵌入铁心1的单根直的线棒2,线棒2外的体域包括主绝缘21、空气域22 以及由低阻防晕层231、中阻防晕层232、高阻防晕层233依次搭接形成的防晕层23 ;待优 化计算的防晕结构参数包括各个防晕层的长度、电阻率和非线性系数，具体如表1所示；
[0040] 表1:待优化计算的防晕结构参数表。
[0043] 1. 2)将物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场耦合 仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输入主 绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示；
[0044] p=pse-p|du/dx| (1)
[0045] 式⑴中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各 防晕层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的 位移增量；本实施例中，主绝缘以及各防晕层属于非典型材料，需要利用第二种方法定义其 材料属性，电机主绝缘电导率设置为2e_17,相对介电常数为4 ;低阻层、中阻层以及高阻层 的相对介电常数定义为12,而在定义防晕层材料属性电导率时输入值分别为：
[0046] 低阻防晕层：l/(r_l*thickness_anti*le-3);
[0047] 中阻防晕层：exp(beta_m*le_5*ec.normE) / (r_m0*thickness_anti*le_3);
[0048] 高阻防晕层：exp(beta_h*le_5*ec.normE) / (r_h0*thickness_anti*le_3);
[0049] 其中，le-5与le-3为单位换算系数，ec.normE表示电场强度，其余参数的中文含 义详见表1。
[0050] 1. 3)在添加边界条件时，将物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压源，高 压源的电位值输入高压电机（额定电压26kV)的一分钟耐压正弦电压峰值110kV，将铁心所 有外表面设置为接地条件，添加边界条件后，对物理模型进行剖分网格；
[0051] 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率（本实施例中具体为50Hz)并进行求解；
[0052] 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文 件，在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防 晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所 有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。
[0053] 本实施例中，步骤1. 1)得到的物理模型中，线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者中相 邻两者之间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同于电 阻率较低一侧防晕层的电阻率；线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈，低阻防晕 层覆盖端部线圈直线及转角部分，且物理模型中曲线部分的曲率及周围其他线圈所带来的 影响忽略不计。
[0054] 本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：
[0055] 2. 1)在脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将脚本文件 修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件；
[0056] 本实施例中，具体为在脚本文件的首行引入：functionout=e_optimation(p)， 其中e_optimation为仿真计算函数的函数名，p表示仿真计算函数的参数（变量向量）。
[0057] 2. 2)在脚本文件的将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化数据；
[0058] 本实施例中，具体赋值伪代码为：
[0059] model,param.set('length_l' ,p(1))；
[0060] model,param.set(，length_m，，p(2));
[0061] model,param.set('length_h'，p(3));
[0062] model,param.set('r_l' ,p(4))；
[0063] model,param.set('r_m0' ,p(5))；
[0064] model,param.set('r_h0' ,p(6))；
[0065]model,param.set(，beta_m，，p(7));
[0066]model,param.set(，beta_h，，p(8));
[0067] 上述伪代码中，model,param.set表示赋值操作函数，第一个参数的含义详见表 1，length代表长度，r代表电阻，beta代表非线性系数，后标1代表低阻层，m代表中阻层， h代表高阻层；第二个参数则分别表示变量向量p内的各个变量，例如p(l)表示变量向量p 内的第一个变量，P(2)表示变量向量p内的第二个变量，依次类推。
[0068] 2. 3)删除脚本文件后的原后处理程序语句（"model,sol('soil'）?runAll; "语 句后面）以及涉及模型的可视操作，利用脚本文件编译软件的采取函数对物理模型中记录 的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号内的表面电场 强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应 的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分别获取防晕层末端电位、表面电场强度和表 面损耗密度的数据结构；
[0069] 由于云图后处理程序将会占用过多电脑 内存，影响程序计算时间，降低优化效率， 本实施例中通过删除脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，能够极大 地减少对计算机资源的占用以及提高计算的效率。
[0070] 本实施例中，具体是利用脚本文件编译软件的采取函数mpheval对物理模型中防 晕层指定域的电位、电场强度和表面损耗密度进行采取，其伪代码为：
[0071] ffonsurface_i=mpheval(model, {'ec.Qh' }, 'edim' , 2, 'selection' ,i)；
[0072] Eonsurface」=mpheval(model, {' _ec.Ez' }，'edim'，2, 'selection'，i)；
[0073] Uonline」=mpheval(model, {'V' }，'edim'，1，'selection'，i)；
[0074] 其中，model, {'ec.Qh'}代表表面损耗密度；model, {'_ec.Ez'}代表防晕层切 向电场强度分量；model，{'V'}代表电位；'edim'后面的第一个数字1代表选取的域为 线域，2代表选取的域为面域；'selection'，i代表记录的的面域或线域的编号，编译时需 要填入记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、 高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的具体数 值。mpheval函数的计算结果表面损耗密度Wonsurface」、电场强度Eonsurface」及电位 Uonline」等数据是结构型，并不是计算所用的矩阵型数据，所以采取数据后，在结构性数 据后面加上dl"取出可用于计算的矩阵型数据，然后需要先后两次利用max函数取出其 中每组数据的最大值以帮助目标函数的编写，其伪代码如下：
[0075] ffmaxon_i=max(ffonsurface_i.dl)；
[0076] Emaxon_i=max(Eonsurface_i.dl)；
[0077] Umaxon_i=max(abs(Uonline」.dl-Uoncoil))；
[0078]其中i代表记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应 的面域编号、高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编 号的具体数值，编译时需要填入具体数值；Uoncoil是线棒上的实时电压值。
[0079] 需要注意的是，利用mpheval函数采取所得到的防晕层末端电位是绝对电位， 也就是相对于大地为参考零电位时的值，而在进行优劣判断前，需要将防晕层末端电位 Uonline_i.dl与线棒的实时电压值Uoncoil(Uoncoil同样可以通过mpheval函数得到， 也可以通过线棒电压幅值与相角计算得到）相减并取绝对值，也就是取防晕层末端电位 Uonline」.dl、线棒的实时电压值Uoncoil两者之间的电位差，要求控制在高压电机对于 防晕层表面相对线棒的电位要求值Uenc^以内保证主绝缘不被击穿。在第一次使用max函 数得到111^1〇11_;[、￡1]^1〇11_;[、111]^1〇11_;[后，再次使用1]^1函数得到所有防晕层表面的最大电 场强度Emax和最大损耗密度Wmax、所有防晕层末端相对线棒电位的最大值Uend。
[0080] 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求 建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。
[0081] 本实施例中，步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下：
[0082] 2. 4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结 构，判断防晕层末端相对线棒电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层表面相 对线棒的电位要求值Uendd、表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机对于防晕层 表面的表面电场强度要求值Emax。、表面损耗密度的最大值Wmax小于预设的高压电机对于 防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(lS个条件是否同时成立，如果同时成立则跳转执 行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值（本实施例中具体值为5);
[0083] 2. 4. 2)目标函数输出结果为表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电机对 于防晕层表面相对线棒的电场强度要求值Emax。、表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值Wmaxp电位的最大值Uend除以预设的高 压电机对于防晕层表面的电位要求值Uenc^的结果再加上目标函数默认值减1 (本实施例 中具体值为4)三者的乘积。
[0084] 本实施例中，预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度要求值EmaX(lS 8.Ie5,预设的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度的要求值WmaX(lS6e6,预设的高压 电机对于防晕层表面相对线棒的电位的要求值Uenc^S3. 9e4。
[0085] 参见前述步骤2. 4. 1)~2. 4. 2)，本实施例中目标函数G_function的伪代码如 下：
[0086]ifWmax<6e6&Uend<3. 9e4&Emax<8.Ie5
[0087]G_function= (Emax/8.Ie5)*(Wmax/6e6)*(4+Uend/3. 9e4)
[0088]else
[0089]G_function= 5；
[0090]end
[0091]out=G_function；
[0092] 其中"out=G_function"表示将G_function的结果赋予out并返回到函数定义 行。
[0093] 需要说明的是，步骤3)的具体实现方式有多种，例如采用遗传算法工具箱或脚本 文件编译软件自带的循环方法，都可以实现对防晕层参数进行一定数值范围内的循环计 算，得到防晕结构的最优解。本实施例中，步骤3)中具体是使用脚本文件编译软件自带的 循环方法来实现对防晕层参数进行一定数值范围内的循环计算，得到防晕结构的最优解。
[0094] 本实施例中，步骤3)的详细步骤如下：
[0095] 3. 1)初始设置目标函数最优解（为目标函数默认值）、迭代次数（0)、输出向量零 矩阵、输入变量零矩阵以及待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围；
[0096] 本实施例中，步骤3. 1)的伪代码为（％后为注释）：
[0099] 上述依次设定离散形式的8个输入变量变化范围的伪代码中，左侧的变量表示待 优化计算的防晕结构参数，具体定义参见表1。
[0100] 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生 成变量向量P，每一次迭代对应一个变量向量P;每生成一组变量向量P，循环调用仿真计算 函数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的 目标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优 解小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向 量零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算 结果无法收敛而出错被强制退出，则跳转执行步骤3. 1)重新设置待优化计算的防晕结构 参数的离散变化范围，以保证每一次循环向量P都可以得到收敛的计算结果；
[0101] 本实施例中，步骤3. 2)的伪代码为（％后为注释）：
[0102]
[0103]
[0104] 3. 3)输出目标函数最优解以及相对应的变量向量p矩阵。
[0105] 本实施例中，步骤3. 3)的伪代码为（％后为注释）：
[0106] op %输出最优目标函数值
[0107] simu %输出最优目标函数值所对应的输入... 变量
[0108] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在于步骤包括： 1) 利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建模、定 义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后将计 算过程转存为脚本文件； 2) 将所述脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入变量 向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取仿真 计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损耗密 度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数； 3) 设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量p， 将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标函 数最优解所对应的变量向量P。2. 根据权利要求1所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于，所述步骤1)的详细步骤包括： I. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化计算 的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，得到的物理模型为嵌入铁 心的单根直的线棒，所述线棒外的体域包括主绝缘、空气域以及由低阻防晕层、中阻防晕 层、高阻防晕层依次搭接形成的防晕层；所述待优化计算的防晕结构参数包括各个防晕层 的长度、电阻率和非线性系数； 1. 2)将所述物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场耦合 仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输入主 绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示； P=Pse_ 咖dx| (1) 式（1)中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各防晕 层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的位移 增量； 1. 3)在添加边界条件时，将所述物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压源，高 压源的电位值输入高压电机的一分钟耐压正弦电压峰值，将铁心所有外表面设置为接地条 件，添加边界条件后，对所述物理模型进行剖分网格； 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率并进行求解； 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文件， 在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防晕层 所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所有线 段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。3. 根据权利要求2所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于：所述步骤I. 1)得到的物理模型中，所述线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者中相邻两者之 间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同于电阻率较低 一侧防晕层的电阻率；所述线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈，所述低阻防晕 层覆盖端部线圈直线及转角部分，且所述物理模型中曲线部分的曲率及周围其他线圈所带 来的影响忽略不计。4. 根据权利要求1或2或3所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其 特征在于，所述步骤2)的详细步骤包括： 2. 1)在所述脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将所述脚本 文件修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件； 2. 2)在所述脚本文件内将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化数据； 2. 3)删除所述脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，利用脚本文 件编译软件的采取函数对物理模型中记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真 软件内所相对应的面域编号的表面电场强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线段在 有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分别获 取防晕层末端的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构； 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求建立 用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。5. 根据权利要求4所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于，所述步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下： 2.4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构， 判断所述防晕层末端相对线棒的电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层表面 相对线棒的电位要求值Uendp所述表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机对于 防晕层表面的表面电场强度要求值EmaXp所述表面损耗密度的最大值Wmax小于预设的高 压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaxtlS个条件是否同时成立，如果同时成 立则跳转执行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值； 2. 4. 2)目标函数输出结果为所述表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电机对 于防晕层表面的电场强度要求值Emaxtl、所述表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的高压 电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值Wmaxtl、所述电位的最大值Uend除以预设的高 压电机对于防晕层表面相对线棒的电位要求值Uendtl的结果再加上目标函数默认值减1三 者的乘积。6. 根据权利要求5所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于：所述预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度的要求值EmaxtlS8.Ie5,预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaxtlS6e6,预设的高压电机对于防晕层 表面相对线棒的电位的要求值UendciS3. 9e4。7. 根据权利要求6所述的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，其特征在 于，所述步骤3)的详细步骤如下： 3. 1)初始设置目标函数最优解、迭代次数、输出向量零矩阵、输入变量零矩阵以及待优 化计算的防晕结构参数的离散变化范围； 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生成变 量向量p，每一次迭代对应一个变量向量p;每生成一组变量向量p，循环调用仿真计算函 数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的目 标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优解 小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向量 零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算结
【专利摘要】本发明公开了一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，步骤包括：利用有限元多物理场耦合仿真软件对主绝缘防晕结构进行物理建模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、设置求解器频率求解，将计算过程转存为脚本文件；将脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化参数引入变量向量p作为仿真计算函数文件的输入变量并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围并生成多组变量向量，将多组变量向量分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标函数最优解所对应的变量向量。本发明能够避免防晕结构优化过程中重复建模、仿真计算、分析等繁琐过程，降低了人工成本，提高了设计效率。
【IPC分类】G06F19/00, G06F17/50
【公开号】CN104899375
【申请号】CN201510306481
【发明人】侯海波, 李鸿岩, 黄友根, 王楷, 李忠良
【申请人】株洲时代新材料科技股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月5日
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