我国的核能发电机引进技术消化吸收过程需要形成具有自主知识产权的设计研发技术。定子绕组设计是核能发电机电磁设计的关键技术，传统的设计方法已无法满足大容量核能发电机高效、高可靠运行的要求，如何结合引进技术的消化吸收进行再创新，是大容量核能发电机设计制造领域面临的挑战。定子绕组设计需要建立在精确的电磁热分析前提下，核能发电机复杂的定子绕组和冷却结构以及所处的复杂电磁热环境导致其电磁热耦合问题的数值模拟存在大型几何实体(数米级)与细薄单元(股线绝缘厚度不大于0.3mm)共存、非线性程度高等技术难点。目前国内外关于电机电磁热耦合问题的数值模拟广泛采用基于有限元、边界元、有限体积等数值算法的商用软件，而对于像核能发电机的定子换位绕组这种结构复杂、尺寸相差悬殊的三维模型，有限元剖分单元划分困难、数量多、计算量大，计算时间较长，不便于优化设计，而且对于非线性程度高的电磁热耦合问题，难以生成满足不同物理场求解精度的剖分网格，需要进行多次非线性迭代和不同物理场之间的迭代，求解几乎无法实现。 创新性地提出了基于节点的三维非线性电磁热耦合网络法，以矢量磁位为未知量构建了新的基于节点的非线性磁网络，建立了以单根换位股线为基本单元的电网络，以感应电动势作为耦合项实现了非线性磁网络与电网络的直接耦合，建立了与电磁网络节点统一的三维热网络，以非线性电阻作为耦合项实现了电磁网络与热网络的耦合，解决了非线性程度高、尺寸相差悬殊的复杂结构电磁热耦合的高效、准确模拟的难点问题。基于提出的三维非线性电磁热耦合网络法对核能发电机定子绕组的损耗和温升进行了分析，实现了计及冷却结构、复杂编织换位结构、定子铁心磁饱和与转子主极磁场作用时核能发电机定子绕组损耗与温升的快速耦合求解，并获得了核能发电机故障工况与冷却结构对定子绕组损耗与温升的影响规律，为核能发电机定子绕组损耗与温升的分析提供了快速、准确的新方法，可以提高核能发电机定子绕组的设计精度，为核能发电机新产品的开发与研制提供技术支持。 研究成果可直接用于开发大容量核能发电机定子绕组的专用设计软件，有助于各大核能发电机制造企业形成具有自主知识产权的大容量核能发电机定子绕组设计技术。除此之外，提出的三维非线性电磁热耦合网络法是一种通用方法，还可用于同步调相机、永磁电机、特种电机等各种类型电机电磁热问题的计算分析中，提高电机设计精度与效率。

哈尔滨理工大学

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