基于光滑有限元法的电动汽车电磁场仿真研究

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电动汽车车内电子设备众多,电磁环境复杂。干扰电磁场不仅会使设备之间相互干涉影响行车安全,还会对司乘人员健康构成威胁,精确高效地预测干扰电磁场分布是电动汽车电磁屏蔽设计的关键。目前的研究方法分为实验测量法与数值仿真法两类,为寻求成本与精度的平衡,专家学者更倾向于数值仿真来模拟电磁场。然而,传统有限元法(FEM)在使用低阶单元预测电动汽车电磁场时存在求解精度低、计算效率差等缺陷,传统节点积分算法(NS-FEM)因时域不稳定性不能直接用于电磁场仿真。因此,为更好地解决上述问题,本文从梯度光滑技术和弱弱形式出发,以3节点三角形与4节点四面体单元为背景网格,针对电动汽车上的电子器件微带线、驱动电机、电缆线等具体电磁场问题,开发了一系列电磁数值仿真方法,并对方法精度、高效性进行了检验。主要研究成果如下:(1)针对FEM研究微带线静电场时存在的计算精度差、效率低等缺陷,构造了微带线静电场模拟的光滑有限元模型(S-FEM)。基于3节点三角形背景网格的边、节点构建光滑域,依托梯度光滑技术(GST)对光滑域内电势梯度进行光滑处理,最后根据广义光滑Galerkin弱形式得到静电场系统离散方程。为解决传统节点积分算法计算微带线静电场的时域不稳定性问题,基于近似积分与泰勒展开,构造了微带线静电场模拟的稳定节点积分算法(SNS-FEM)。应用构造方法对不同类型微带线横截面静电场进行了预测,结果表明:相比传统FEM,S-FEM具有更高的效率、精度与收敛性,验证了该方法在解决电动汽车电磁场问题时的正确性与可靠性。(2)为提高FEM分析电动汽车驱动电机电磁场时的精度与效率,从电机静磁场双旋度方程出发,给出了电机电磁场仿真的光滑有限元解决方案。以4节点四面体单元的点、线、面构造光滑域,在重构光滑域内对磁感应强度进行光滑处理,最后基于广义光滑Galerkin弱形式建立双旋度方程系统离散形式。此外,由体积等效原则并借助于泰勒展开定理构造积分增强项,提出了驱动电机电磁场模拟的稳定节点积分算法。基于所提方法,分析了驱动电机在车内的电磁场及人体感应场分布,研究了永磁同步电机不同时刻的定子磁通密度分布,结果显示:S-FEM能够有效提升电机电磁场数值仿真的精度与效率,为汽车电机电磁场研究提供有力的技术支撑。(3)针对电动汽车动力电缆线电磁辐射问题,构造了电缆线对人体辐射问题仿真的稳定节点积分数值模型。基于4节点四面体网格节点构造点光滑域,依托梯度光滑技术对磁感应强度与电势梯度进行光滑处理,借助泰勒中值定理补充稳定项,最终获得低频电磁场系统离散方程。基于所构造的方法分析了电缆线低频电磁辐射环境下真实人体感应电流密度的分布,采用双旋度方程的SNS-FEM方案研究了稳态直流静磁辐射环境下的真实人体磁感应强度分布。数值算例表明:SNS-FEM在电动汽车电缆线电磁辐射仿真中,表现优异。相比FEM,能够提供更加精确、高效的人体感应场仿真结果,对复杂模型适应性良好,在复杂工程问题分析中具有实际应用价值。
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