一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法及系统

1.本技术属于电磁计算领域，具体涉及一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法及系统。


背景技术：

2.对电容器元件进行有限元仿真，获取其内电场强度分布，特别是圆弧区域中的电场强度分布是指导电力电容器生产设计、维持电力电容器安全稳定运行的基础依据。
3.电容器元件的示意图如图1所示，电容器元件由作为正负电极的两张铝箔和作为极间介质的聚丙烯薄膜卷绕制成。首先将多层平铺展开的铝箔和聚丙烯薄膜卷绕成圆柱形形状，然后再制成扁平状，多个电容元件叠装在一起，根据设计的串并联进行焊接，就可以最终构成具有确定电容值的电容器心子，最后再将心子装入钢制外壳并注入苄基甲苯便形成了电容器整体。
4.现阶段，一般采用电容器元件的全尺寸三维模型直接进行有限元计算，然而由于电容器元件内部存在薄膜结构，薄膜的厚度与整体尺寸存在巨大差异，导致网格剖分过程会形成数量众多的计算单元，进而需要耗费巨大的计算资源来获得较为精确的计算结果，有时候甚至会导致计算无法进行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法及系统，解决了现有的电容器元件的电场强度计算存在计算资源消耗过大的缺陷。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.本发明提供的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，包括以下步骤：
8.步骤1，构建电容器元件模型；
9.步骤2，沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；
10.步骤3，分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；
11.步骤4，利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。
12.优选地，步骤1中，利用有限元建模构建得到电容器元件模型。
13.优选地，步骤3中，利用有限元法分别计算得到前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度。
14.优选地，步骤4中，利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度，具体方法是：
15.将中间无折边切割单元沿长度方向均分为两部分，将该每部分沿长度方向均分，得到每部分对应的多个无折边切割子单元；
16.将前折边区域切割单元对应的电场强度作为与前折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；
17.将后折边区域切割单元对应的电场强度作为与后折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；
18.根据无折边切割子单元的周期性重复以及相对中心切面对称的特点，将得到的两个无折边切割子单元对应的电场强度结合floquet方法推算得到中间无折边切割单元对应的电场强度，将该电场强度作为电容器元件模型对应的最终电场强度。
19.本发明还提供一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割系统，包括：
20.模型构建单元，用于构建电容器元件模型；
21.模型切割单元，用于沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；
22.电场强度计算单元，用于分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；之后利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。
23.优选地，所述电场强度计算单元包括：
24.第一电场强度计算子单元，用于分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；
25.第二电场强度计算子单元，用于利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。
26.优选地，所述第二电场强度计算子单元包括：
27.单元模型切割模块，用于将中间无折边切割单元沿长度方向均分为两部分，将该每部分沿长度方向均分，得到每部分对应的多个无折边切割子单元；
28.子单元电场强度计算模块，用于将前折边区域切割单元对应的电场强度作为与前折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；将后折边区域切割单元对应的电场强度作为与后折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；
29.模型电场强度计算模块，用于根据无折边切割子单元的周期性重复以及相对中心切面对称的特点，将得到的两个无折边切割子单元对应的电场强度结合floquet方法推算得到中间无折边切割单元对应的电场强度，将该电场强度作为电容器元件模型对应的最终电场强度。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.本发明提供的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，将电容器元件模型整体进行切割，分别计算每个切割单元的电场强度，之后在推算得到整体模型对应的电场强度，相比于现有的采用全尺寸模型进行有限元计算的方法，本发明在保证准确率的提前下具有消耗计算资源少的优点。
附图说明
32.图1是现有的电容器整体结构示意图；
33.图2是本发明所述的电容器元件模型结构示意图；
34.图3是本发明折边区域切割单元示意图；
35.图4是后端折边区域切割单元示意图；
36.图5是中间无折边切割单元示意图；
37.图6是本发明完整的切割单元示意图。
具体实施方式
38.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
39.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0042]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0043]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0044]
本技术的目的在于提供一种计算电容器元件圆弧区域电场的方法，解决现有方法计算资源消耗过大的问题。
[0045]
实际中，电容器元件一般包含80～100层聚丙烯膜和铝箔，单个聚丙烯膜的厚度约为12～16微米，可叠加两到三层使用，单个铝箔厚度约为5～10微米，而电容器元件的整体尺寸在最大处约有400毫米。建立一个完整的电容器元件的三维有限元模型需要进行大概10
15
个四面体的相关计算，这显然是一个十分庞大的计算量。
[0046]
有限元建模中使用到的电容器元件全尺寸完整模型如图2所示，如前所述，对这一全尺寸模型进行网格剖分会得到兆亿级的网格单元，形成巨大的计算负担。
[0047]
本发明提供的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤1，利用有限元模型构建电容器元件模型；
[0049]
步骤2，沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单
元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；
[0050]
步骤3，分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；
[0051]
步骤4，利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。
[0052]
实施例
[0053]
本技术提出将该模型进行切割，分离出三类切割单元，分别是沿着长度方向(y方向)的前折边区域切割单元、后折边区域切割单元以及中间无折边切割单元，如图3至图5所示。
[0054]
将中间无折边切割单元沿长度方向均分为两部分，将该每部分沿长度方向均分，得到每部分对应的20个无折边切割子单元，如图5、图6所示。
[0055]
利用有限元法分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元对应的电场强度。
[0056]
将前折边区域切割单元对应的电场强度作为与前折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；
[0057]
将后折边区域切割单元对应的电场强度作为与后折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；
[0058]
根据无折边切割子单元的周期性重复以及相对中心切面对称的特点，将得到的两个无折边切割子单元对应的电场强度结合floquet方法推算得到中间无折边切割单元对应的电场强度，将该电场强度作为电容器元件模型对应的最终电场强度。
[0059]
实际计算表明，该切割模型相比于全尺寸模型可以相应节省2到3个量级的计算量。
[0060]
本发明还提供一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割系统，包括：
[0061]
模型构建单元，用于构建电容器元件模型；
[0062]
模型切割单元，用于沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；
[0063]
电场强度计算单元，用于分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；之后利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。
[0064]
所述电场强度计算单元包括：
[0065]
第一电场强度计算子单元，用于分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；
[0066]
第二电场强度计算子单元，用于利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。
[0067]
所述第二电场强度计算子单元包括：
[0068]
单元模型切割模块，用于将中间无折边切割单元沿长度方向均分为两部分，将该每部分沿长度方向均分，得到每部分对应的多个无折边切割子单元；
[0069]
子单元电场强度计算模块，用于将前折边区域切割单元对应的电场强度作为与前折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；将后折边区域切割单元对应的电场强度作为与后折边区域切割单元具
有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；
[0070]
模型电场强度计算模块，用于根据无折边切割子单元的周期性重复以及相对中心切面对称的特点，将得到的两个无折边切割子单元对应的电场强度结合floquet方法推算得到中间无折边切割单元对应的电场强度，将该电场强度作为电容器元件模型对应的最终电场强度。
[0071]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建电容器元件模型；步骤2，沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；步骤3，分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；步骤4，利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。2.根据权利要求1所述的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，其特征在于，步骤1中，利用有限元建模构建得到电容器元件模型。3.根据权利要求1所述的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，其特征在于，步骤3中，利用有限元法分别计算得到前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度。4.根据权利要求1所述的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法，其特征在于，步骤4中，利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度，具体方法是：将中间无折边切割单元沿长度方向均分为两部分，将该每部分沿长度方向均分，得到每部分对应的多个无折边切割子单元；将前折边区域切割单元对应的电场强度作为与前折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；将后折边区域切割单元对应的电场强度作为与后折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；根据无折边切割子单元的周期性重复以及相对中心切面对称的特点，将得到的两个无折边切割子单元对应的电场强度结合floquet方法推算得到中间无折边切割单元对应的电场强度，将该电场强度作为电容器元件模型对应的最终电场强度。5.一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割系统，其特征在于，包括：模型构建单元，用于构建电容器元件模型；模型切割单元，用于沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；电场强度计算单元，用于分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；之后利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。6.根据权利要求5所述的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割系统，其特征在于，所述电场强度计算单元包括：第一电场强度计算子单元，用于分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；第二电场强度计算子单元，用于利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度。7.根据权利要求6所述的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割系统，其特征在于，所述第二电场强度计算子单元包括：
单元模型切割模块，用于将中间无折边切割单元沿长度方向均分为两部分，将该每部分沿长度方向均分，得到每部分对应的多个无折边切割子单元；子单元电场强度计算模块，用于将前折边区域切割单元对应的电场强度作为与前折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；将后折边区域切割单元对应的电场强度作为与后折边区域切割单元具有共切面的一个无折边切割子单元的激励项，计算该无折边切割子单元对应的电场强度；模型电场强度计算模块，用于根据无折边切割子单元的周期性重复以及相对中心切面对称的特点，将得到的两个无折边切割子单元对应的电场强度结合floquet方法推算得到中间无折边切割单元对应的电场强度，将该电场强度作为电容器元件模型对应的最终电场强度。

技术总结
本发明提供的一种计算电容器元件圆弧区域电场模型的切割方法及系统，包括以下步骤：步骤1，构建电容器元件模型；步骤2，沿长度方向将得到的电容器元件模型进行切割，得到前折边区域切割单元、中间无折边切割单元和后折边区域切割单元；步骤3，分别计算前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度；步骤4，利用前折边区域切割单元和后折边区域切割单元的电场强度推算中间无折边切割单元的电场强度，得到电容器元件模型对应的电场强度；本发明在保证准确率的提前下具有消耗计算资源少的优点。的优点。


技术研发人员：毛敏宇 邵景晖 林丽妲 高海东 田爽 程崇君 侯玉婷 王嘉玮
受保护的技术使用者：西安交通大学 华能集团技术创新中心有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/10/7