凸极式
隐极式
涡电流及其应用

大块金属处于变化磁场 中或在磁场中运动时， 其中产生的感应电流呈 涡旋状——涡电流 高频感应加热

大块金属电阻小，涡电 流大，释放大量热量
电磁炉
涡电流及其应用
转 速 计
电磁驱动
阻尼摆
James Clerk Maxwell


1855年 “论法拉第力线”（20年后） 1861年 “论物理力线” 1865年 “电磁场的动力学理论” 历时十年 每篇文章好几十页，甚至上百页
近代电磁场
课程综述
电磁场理论与计算电磁学
1 2 3 4 经典电磁学与计算电磁学 电磁学的发展历史 近代电磁场理论与计算电磁学 计算电磁学应用简介
1、经典电磁学与计算电磁学 Classical and computational magnetics

电磁学是经典物理学的一个分支，主要 研究源（电荷、电流）与场（电场、磁 场）的相互联系、相互作用的规律。 计算电磁学是经典电磁学的发展，它以 计算机为工具研究工程中的电磁学问题。
em
em
Iteration Number
15
20
25
The iteration convergence of objective function.
The distribution of flux on the symmetrical surface and eddy current density on tank surface
脑电应用成果：脑－机接口
电力线路电磁场及其生物效应


电力线路穿过居民区，电磁场对人体的 影响？ 电磁效应与癌症 电力系统电磁兼容问题
磁悬浮
(a) Long-stator linear synchronous motor (LSM) and suspending magnets (SM)
(b) On-board linear generator (LG) system Fig. 1. EMS-MAGLEV system.
dF dF dF J V dLk dLk dLk
dFobj dLk
i k 1 i k
(k 1,,4)
dFobj dpst
i
(1 si )(1 ti )
(1 i 4)
J ems : specified value; J emo J ems dF ( si , ti ) , i and are shown in right Fig. dpst
i
J (A/m2)
em
V (m3) Volume V Current Density J 1.0x10-4 9.0x10-5 Spacified J 8.0x10-5 7.0x10-5 6.0x10-5 0 5
3.6x105 3.4x105 3.2x105 3.0x105 2.8x105 2.6x105 2.4x105 2.2x105 10
体 积 直径0.8mm、长1.2mm 重量 转速 几小时1转
每分钟几十万转
高功率密度、高效率、高动态 响应低速平稳性、低振动噪声
电磁负荷高，结构新颖而又多 样，增加了设计分析和研究开 发的复杂性。
电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统 涉及到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科 电机工作于复杂的应用系统中 正确建模、适当的分析工具和方法是提高电机设计水平的 前提。 多场耦合系统，弄清各种场的分布规律及其控制技术。在 此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化。
发电机失磁异步运行
必须具备以下条件
1）系统应该具有足够的无功储备，维持系统无功平衡，避免电压崩 溃，保证系统稳定。系统电压应该不低于额定值的90% 2）定子端部金属结构件和边段铁心的温度不能超过其温度限值 3）发电机定子电流平均值不得超过额定值的1.1倍 4）厂用电压不得低于额定值的80%，低于此值 时，应由保护装置自动切换到其他厂用母线上运行
1000MVA汽轮发电机端部磁场与损耗
端部涡流、温度耦合场的全三维数值分析与计算 全三维实体模型
实体剖 分单元 155520
稳态电磁力分析和计算(FEM ) —cont.
稳态运行工况下端部三维电磁场计算结果
稳态运行时定子端部磁通密度分布
稳态运行时定子端部磁通密度分布（前视图）
定子端部最大磁通密度为1.299T
法拉第 出生贫寒，图书装订学徒，商铺中做实验，实验员 是一个没有受过多少教育，但具有深刻直觉能力的实验物理学家 不用一个公式，凭直觉的可靠性创造出“力线”和“场”的概念 麦克斯韦 出生富裕家庭，受到良好的教育，好奇心甚强 从小喜欢数学，对法拉第的贡献非常佩服 20几岁就下决心要把法拉第的物理思想用数学公式定量地表达出来
磁场力
MRI 磁体设计
MRI 磁体设计
无限通讯系统

现代信息技术是以电磁场理论和分析方 法为基础。无线信息的发送和接收的媒 介是“电磁场” 例如：天线
微波电路系统

高速高密度集成电路 IC DSP PCB EMI EMC 平面器件与磁集成器件
生物电磁场

生物电磁学研究生物体（特别是人体）的电磁过程 及其与生命活动的关系和外界电磁场对生物体的作 用。例如，生物体表有电位分布，据此，有脑电和 心电问题。

Maxwell方程组
D t B E t H J

l
H dl
l

s
(J kE Nhomakorabea dl
B 0
D
B dS
s
B dS t
D ) dS t
全电流定律 电磁感应定律 磁通连续性原理 高斯定律
0

s
D dS q
体积庞大，难以 在实际中使用
Ｕｓ：系统电压，ＺＬ：负载阻抗，Ｌｐ：旁路交流电感
单相心式变压器的场路耦合有限元分析
单相心式变压器的场路耦合有限元分析
系统仿真 示意图：
zl FCL N1 N1 N2 N3 N4 N2 N4 N3
场路耦合 有限元仿真 示意图：
单相壳式变压器的轴对称分析
三相三柱变压器有限元仿真分析
稳态电磁力分析和计算(FEM ) —cont.
稳态运行工况下端部三维电磁场计算结果
稳态运行时绕组区域磁通密度分布
绕组上最大磁通密度为0.0415T
稳态电磁力分析和计算(FEM ) —cont.
稳态运行工况下端部绕组三维电磁力计算结果
稳态运行时定子端部电磁力分布
稳态运行时定子端部电磁力分布（前视图）
正问题
逆问题
新的研究热点

虚拟样机设计 多物理场耦合、器件级与系统级仿真 基于分子动力学原理的复杂问题模拟 生物电磁学（生物电工技术） 环境电磁学
4、计算电磁学应用简介
电机电磁场分析
大功率化 稀土永磁电机的发展方向 高功能化 微型化
小型
功率 几mW
大型
几十 MW 直径12m 一百多吨
1、科学技术发展综合化（电磁应用技术之间或 与其他领域应用技术之间的相互渗透与交 叉），集成化（电力电子技术，控制器，变频 器，DSP，IC；新材料—绝缘材料SF6，永磁材 料，磁滞伸缩，磁控材料等；超导电机变压器） 2、基于计算机应用基础的CAA、CAD、CAM 3、各类工程装置的性能分析和最优化设计
Initial case
Optimal case
The shield mesh during its shape optimization
特殊变压器的设计和有限元分析
I1 Us Ts1 I Ld T3 Ld T4 T2 Lp ZL
短路电流完全 由旁路电感承担 可长时间限制 稳态短路电流
T1 I2
工 作 原 理 特 点
感应加热电源系统
电流反馈型并联逆变
电压反馈型串联逆变
研究背景

铝棒感应加热 温度分布一定 三相工频 设计电源及其控制系统
研究结果
温度分布
磁力线分布
AMS永磁体力与力矩
64 1 2 3 4 5 6 7 8
9 10
mm
49 48
mm
1 mm
16
33 32
四个方程所反映的物理意义 • 全电流定律——麦克斯韦第一方程, 表明传导电流和变化的电场都能产生磁场； • 电磁感应定律——麦克斯韦第二方程 , 表明电荷和变化的磁场都能产生电场； • 磁通连续性原理——表明磁场是无源场,磁力线总是闭合曲线； • 高斯定律——表明电荷以发散的方式产生电场(变化的磁场以涡旋的形式产生电场) • 麦克斯韦第一、二方程是独立方程，后面两个方程可以从中推得。 • 静态场和恒定场是时变场的两种特殊形式。
FV V [m3 ] ( J em J ems ) F 2 2 FJ ( J em J emo ) [ A / m ] ( J em J ems ) 0 L1 , L2 , L1 , L2 0.01 [ m]
Dimensional Sensitivity:

The History of Electromagnetics
Early Electromagnetics Charles Coulomb André-Marie Ampère Allesandro Volta Michael Faraday James Clerk Maxwell
无接触电能传输 06年，Fulton
Innovations：充电垫子 和汽车杯托，与摩托罗拉 开发能为电子产品充电的 家具 07年初，Powercast：隐 藏在台灯等家具中的发射 器在很近距离内传送几瓦。 产品：装饰彩灯
07年中，MIT的 WITricity能够将相隔2米 多60W的灯泡点亮。