（机械设计及理论专业论文）母线设备多物理场耦合研究及应用.pdf

上海交通人学博l ：学位论文摘要 母线设备多物理场耦合研究及应用 摘要 母线设备在保证供电质量上起到举足轻重的作用。随着电力事业 的发展，大容量电站的不断出现，传输电流不断加大，对供电质量的 要求也越来越高，电网运行一定要保证供电的可靠性及安全性。母线 发生故障，将造成发电厂和变电所停电，从而对电力系统的安全运行 带来严重危害。 经过多年的实践应用，母线产品的电气性能和可靠性都获得了良 好的市场反响，创造了较好的经济效益。但是，在此类母线设备正常 运行过程中发现其工作噪声偏大，尤其当用电量增大时工作噪声也随 之增大。从相关资料来看，单个母线设备周围的a 计权声压级平均在 7 0d b 以上。对于电站等许多场所，母线设备通常是多台平行排放，因 而将会带来更大的噪声问题。强大的噪声使得许多用户在验收母线产 品时拒绝接受，从而给企业造成了巨大的经济损失，并且削弱了产品 的国际竞争力，阻碍了母线产品的国有化进程。 母线设备的噪声问题是多个物理场共同作用的过程。大电流母线 周围强大的交变电磁场使母线与母线之间以及母线与箱体之间产生周 期变化的电磁力，电磁力激励母线结构振动，并由箱体封板向外辐射 噪声。在多个物理场的共同作用下母线设备的结构往往处于非线性和 多物理场耦合的状态，此时描述系统行为的控制方程通常为耦合的非 线性偏微分方程，解析解求解几乎不可能，必须采用数值分析技术。 本文采用顺序耦合的方法对电磁场、结构振动及辐射声场进行了 多物理场的分析计算并在此基础上提出了减振降噪的结构改进方案。 在电磁场方面，采用棱边有限元求解大电流母线设备的电磁场问题。 在振动噪声方面，采用有限元和边界元法结合的方法求解辐射声场。 解决了电磁场、结构振动及辐射声场计算过程中f e m b e m 数据传递 等一系列关键问题。 建立了大电流母线电磁、振动及声场多物理场计算的全三维数值 模型。大电流母线桥是复杂的弹性结构。根据各物理场求解情况不同， 分别建立了用于电磁场计算的棱边有限元模型，振动响应分析的节点 j ：海交通入学博十学位论文 摘要 有限元模型以及声场分析的边界元模型。电磁场分析中，只需对导磁 体、空气和载流导体建立了模型。在振动分析中建立了较为详细的结 构有限元模型，并采用两种不同的方式模拟螺栓的连接。将结构有限 元模型的外表面取出建立了母线桥声场分析的边界元模型。 研究了母线桥系统电磁场、结构振动及辐射声场的分布规律。在 所建立三维数值模型的基础上，对母线设备中各物理场的分布规律进 行计算分析。电磁场计算表明，母线桥箱体下底板的电磁力较其他箱 板要大。箱体上电磁力的最大值位于下底板水平部分与垂直部分的交 接处。文中还探讨了母线电磁性能随工作电流、母线相间距离以及频 率的变化规律。模态分析可知，母线桥系统固有频率分布密集，在固 有频率发生小范围变化时，模态振型变化明显。振动结果表明，母线 桥箱体封板面积大，刚度差，振动强烈，是主要辐射声源。声场分析 表明，在水平面上母线桥结构中间部位辐射声场强，两侧面的声场强 度大于两端面的声场强度，声压级沿母线桥长度方向上呈对称分布， 同时在宽度方向上不对称。在竖置方向上，母线桥下部的辐射声场声 压级较大。 提出了母线设备减振降噪的结构改进方法。考虑可行性、经济性 的基础上，提出了降低母线桥振动噪声的结构改进方案。计算结果表 明，所提出的几种措施对降低噪声有不同程度的效果。所得结论可以 推广应用到其他类型的母线设备。 验证了多物理场计算模型的正确性和振动噪声控制方法的有效 性。针对母线桥原始模型以及所提出的结构改进方案分别制造了三台 试验样机并对各种模型下母线桥的磁感应强度、振动加速度以及声压 级进行了试验测量。通过计算结果与试验结果的对比分析，验证了数 值计算模型的正确性。计算结果与试验结果在对改进方案减振降噪效 果的总体判断上具有较好的一致性，表明了计算思路和计算方法的正 确性，通过数值计算可以有效指导产品的设计。所提降噪措施可以推 广应用到其它类型的母线设备。 关键词：母线，大电流，多物理场，耦合，棱边有限元，边界元 m u i r i p h y s i c sa n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no fh e a v y c u r r e n tb u s b a rs y s t e m a b s t r a c t t h el o wv o l t a g ea n dh e a v yc u r r e n tb u s b a rb r i d g ei san e wt y p eo ft r a n s m i s s i o n f a c i l i t y , w h i c hi sw i d e l ya p p l i e dt ot r a n s m i t t i n gc u r r e n ta n dp o w e r i np o w e rp l a n t s ，l a r g e a n dm e d i u m s i z e de n t e r p r i s e sa sw e l la st r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s t h ee l e c t r i c p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fb u s b a rb r i d g es y s t e m sh a v eg a i n e dag o o dm a r k e ta n d b r o u g h tc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s h o w e v e r , t h ew o r k i n gn o i s eo fs u c hf a c i l i t i e s i sr e m a r k a b l e ，e s p e c i a l l yw h e nt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni n c r e a s e s o n - 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d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h es o l i do n e i n v i b r a t i o na n a l y s i s ，b u s b a r sa sw e l la se p o x yr e s i ni n s u l a t o r sa r em e s h e dw i t hs o l i d h e x a h e d r a le l e m e n t sa n dt h er e s ta r em e s h e dw i t hs h e l le l e m e n t sd u et ot h es m a l l t h i c k n e s so fs t e e lp l a t e s a tt h es a m et i m e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l su s e di n e l e c t r o m a g n e t i ca n dv i b r a t i o na n a l y s i sa r en o te x a c t l yt h es a m e i ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ! 1 1 a n a l y s i s ，i ti sn e c e s s a r yt ob u i l df i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ea i ri n s i d eo ro u t s i d et h e b r i d g e ，w h e r e a st h i si sn o tn e e d e d i ns t r u c t u r a lv i b r a t i o na n a l y s i s t h eb o u n d a r ye l e m e n t m o d e li sc r e a t e db yt a k i n go u tt h es u r f a c eo ft h es t r u c t u r a lv i b r a t i o nf i n i t ee l e m e n t m o d e l e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei si nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h eo p e r a t i n gc u r r e n t s t h i si s b e c a u s et h es k i ne f f e c ta n dp r o x i m i t ye f f e c tw i l ls t r e n g t h e nw i t ht h ei n c r e a s eo f o p e r a t i n gc u r r e n t t h en o d ef o r c e so nl e f ta n du p p e rb o xp l a t e sa r em u c hb i g g e rt h a n t h a to ft h ef i g h ta n dl o w e ro n e s w i t ht h ei n c r e a s eo fc u r r e n t ，t h en o i s eo ft h es y s t e m r i s e sa c c o r d i n g l y n u m e r o u sd o f so ft h es y s t e ml e a dt ot h ei n t e n s i v ed i s t r i b u t i o no f n a t u r a lf r e q u e n c y , s ot h em o d es h a p e sc h a n g e do b v i o u s l yw h e nt h en a t u r a lf r e q u e n c y h a ss m a l lv a r i a t i o n t h er e l a t i v ed e f o r m a t i o no ft h es t e e lb o xi sm u c hb i g g e rt h a nt h a to f o t h e rp a r t sb e c a u s et h eb o xi sm a d eo fl a r g ea n dt h i np l a t e s ，w h o s es t i f f n e s si ss m a l l t h e r e f o r e ，r e s o n a n c eo c c b r sm o r ee a s i l yo nt h eb o x m o r en o i s ei sg e n e r a t e db yb o x p l a t e st h a nb yb u s b a r sb e c a u s et h es t i f f n e s so ft h e s el a r g e t h i np l a t e si sm u c h s m a l l e r t h a nt h a to fb u s b a r s t h es o u n dp r e s s u r el e v e li so fs y m m e t r i cd i s t r i b u t i o na l o n gz d i r e c t i o n ，a n dt h es o u n df i e l di ss t r o n g e ri nt h em i d d l eo ft h eb r i d g e t h es o u n dp r e s s u r e l e v e lo ff i g h ts i d ep l a t e si sm u c hh i g h e rt h a nt h a to ft h el e f ts i d e - 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d i m e n s i o n a le d d yc u r r e n tf i e l da n dt h ec o m b i n e df i n i t ee l e m e n ta n db o u n d a r y e l e m e n tm e t h o dt os o l v et h er a d i a t e ds o u n df i e l d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e n c a l c u l a t e dr e s u l t sa n dm e a l s u r e do n e s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h ec a l c u l a t i o ni sv a l i d a t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fv i b r a t i o na n ds o u n df i e l d ，t h en o i s er e d u c t i o nm e t h o d sa r e p u tf o r w a r d ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t ss t u d ya r ep e r f o r m e do ne v e r y i m p r o v i n gm e t h o d t h es t u d ys h o w st h a tt h ei m p r o v i n gm e t h o d sc a nr e d u c et h en o i s e a t d i f f e r e n tl e v e l s ，a m o n gw h i c ht h em e t h o do fi n c r e a s i n gv e n t so nb o xp l a t e si sab e t t e r w a y t or e d u c ei t t h ep r o p o s e dm e t h o d sc a nb ea p p l i e di no t h e rt y p eb u s b a re q m p m e n t s k e yw o r d s ：b u s b a r , h e a v yc u r r e n t ，m u l t i - p h y s i c s ，e d g e - b a s e df i n i t ee l e m e n t ， b o u n d a r ye l e m e n t v 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 竹跨 j 日期：讪0 7 年2 月i o 日 指导教师签名：妻乌乙李乙 日期：沙夕年心月p 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吁萝 日期：却叮年2 月胗日 i ：海交通人学博二七学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 t 匕= 1 1 研究背景、意义和课题来源 1 1 1 研究背景 母线设备是低压供电系统中负责传输电能、分配电能的一种低压成套设备。 从发电厂或配电站将电能传送出来，需要应用各种开关设备来开闭电路和保护电 力设备。为了把开关设备接到发电机或电力变压器，常常需要应用母线作为连接 导线，母线是一种可与几条电路分别连接的低阻抗导体。由于通过母线的电流很 大，母线常用宽扁的铜或铝的长条平板加工制造而成。母线决定了开关成套设备 的电气参数、进出线方式、连接方式和柜体温升，对保证成套设备的性能具有重 要作用。 母线作为一种新型供配电装置，具有外形美观、结构紧凑、安装迅速、使用 方便、经济省时、安全可靠等特点。目前广泛使用于高低压成套开关设备、发电 厂和工厂配电站的主配电室、大型现代化车间以及高层建筑、公共设施等领域。 电力母线的发展经历了两个阶段【l 】：敝露母线阶段和封闭母线阶段。随着电力 行业的迅速发展，各种各样的封闭母线设备在不同的生产领域中发挥着越来越重 要的作用。封闭母线设备的可分为以下几种。 按母线外壳结构不同可以分为三大类【2 】：各相带电流母线导体处在一个公共的 金属外壳中，相间没有隔板的相间不加隔离共相封闭母线；各相带电流母线导体 处在一个公共的金属外壳中，相间加隔板的相间隔离共相封闭母线；每相带电流 母线导体由一个单独的金属外壳封闭，相邻母线的外壳间保留有一定的空气间隙 的离相封闭母线。前两类封闭母线多用于电流在5 0 0 0 a 以下的用电场合，离相封 闭母线多用于发电站2 0 万千瓦以上的机组。 按母线的分布形式不同，封闭母线可分为密集型母线和空气绝缘型母线。 按母线制式可分为三相三线制，三相四线制、三相五线制三种。 按母线使用的材料，可分为铜母线和铝母线。 按功能又可分为耐火母线、防水母线、照明母线、直流母线、整体浇铸的全 绝缘母线等。 封闭式母线由于许多重要的优点被广泛采用。目前较常使用的封闭母线设备 主要有空气绝缘型母线、密集型母线以及离相封闭式母线，如图1 一l 所示。 l ：海交通大学博 学位论文 第一章绪论 ( a ) 空气绝缘型母线( b ) 密集型母线 ( c ) 离相封1 4 】母线 图1 - 1 目前常用的封闭式母线设备示意图 f i g u r e1 - 1c l o s e db u s b a rs y s t e m si nc o m m o nu s e 根据相关行业资料显示，2 0 0 6 年中国市场的母线槽总需求量已近1 3 0 亿元， 从2 0 0 0 2 0 0 5 年，每年的市场增长率约为2 0 。随着中国经济的可持续蓬勃发展， 国内母线设备市场预计在今后数年内将保持2 0 的持续增长。如此数量的市场需 求，使母线产品得以迅速发展并在电力系统中广泛应用。 经过多年的实践应用，母线的电气性能和可靠性都获得了良好的市场反响， 创造了较好的经济效益。但是，在此类母线设备正常运行过程中发现其工作噪声 偏大，尤其当用电量增大时工作噪声也随之增大。从相关资料来看，单个母线设 备周围的a 计权声压级平均在7 0d b 以上。对于电站等许多场所，母线设备通常 是多台平行排放，因而将会带来更大的噪声问题。强大的噪声使得许多用户在验 收母线产品时拒绝接受，从而给企业造成了巨大的经济损失，并且削弱了产品的 国际竞争力，阻碍了母线产品的国有化进程。 1 1 2 研究意义 母线设备运行中，母线导体上通常通有1 0 0 0 a 以上的大电流。随着电流负荷 的增大，会产生强大的磁场和电场。母线导体和周围的其他构件，如母线外壳箱 体、绝缘子金具、支持母线结构的钢梁、金属管路等在强大交变电磁力作用下产 生的振动，有时将导致母线及其固定结构松动、绝缘磨损、母线变形和疲劳等现 象发生，引发事故。同时，结构振动会引起辐射噪声。强烈的辐射噪声对工作人 员的心理和生理产生负面影响，使工作环境恶劣。 传统对母线设备的研究集是利用静态分析方法理论计算在短路电流时，导体 和绝缘子承受的电动力和机械应力，分析结果是不准确和不全面的，难以对结构 设计提出有效的指导方向。另外，由于是静态分析，对振动噪声这样的动态问题 也无法考虑，使母线设备的振动辐射噪声问题一直没有被很好的解决，这也是困 扰工程界的一大问题。 随着人们对振动、噪声的限制越来越严格，母线产品的振动噪声特性日益成 为衡量母线性能的主要参数。因此，对大电流母线产品进行电磁、结构、噪声的 多物理场耦合分析有着重要意义。 2 上海交通人学博f ：学位论文第一章绪论 一方面，采用多场耦合方法可以计入各个物理场之间的相互作用，从而更准 确的了解各种规格封闭母线中电磁、振动噪声特性及各指标的分布规律，掌握由 它们产生的电磁力、位移以及噪声对结构设计及产品性能的影响，从而为工程实 际提供更加合理的设计方案，提高运行的可靠性。 另一方面，采用数值分析技术可以在产品试制出前预估其振动、噪声的强度， 在图纸阶段采用改变结构、材料等措施来抑止振动噪声，可显著缩短开发周期， 减少重复样机制作，降低实验费用，提高产品性能指标。问题的逐步解决对研发 自主知识产权的封闭母线，提高企业核心竞争力，追赶国际先进水平具有非常重 要的意义。 1 1 3 课题来源 母线设备正常运行中，在强大的交变电磁场的作用下产生较大的工作噪声， 影响产品性能，造成环境污染。本课题采用多物理场耦合的数值仿真技术，分析 强大电磁场作用下母线设备振动噪声的规律，计算母线导体和箱体在电磁力作用 下的振动响应和辐射噪声分布，并在此基础上提出减振降噪的结构改进方案。本 课题得到了国家8 6 3 计划重大专项( 2 0 0 2 a a l 0 4 5 2 0 ) 的资助。 1 2 相关领域的国内外研究现状 1 2 1母线设备电磁场与电磁力研究现状 母线设备的工作电流为几千安到几万安，因此母线导体的截面较大，产生的 电磁场较强。欲准确预测母线设备的振动噪声特性，首先必须准确计算母线设备 内部的物理场。交变的电磁场使母线导体及其周围的构件产生电磁力，是母线系 统产生振动噪声的源头，因此获得正确的电磁场分布是准确计算母线设备参数和 性能的重要前提。 1 2 1 1 电磁场研究现状 1 8 6 5 年m a x w e l l 提出了电磁场基本方程组，这是电磁场问题研究的基础。母 线设备结构比较复杂，对其电磁场问题的研究还没有非常精确的解法。经过学者 们几十年的研究工作，在对母线电磁场的求解方法上主要形成了两大类，即解析 法、数值计算法。下面对这些方法及其研究工作做简要介绍。 1 解析法 关于母线设备电磁场计算的数学模型，不少人做过研究，目前国内外常用的 数学模型有：等效线形电流数学模型、等效圆柱母线数学模型和矩形母线数学模 型。 3 j ：海交通人学博i ：学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 等效线形电流模型 把矩形母线电流用集中在母线的中心轴线上的等效线电流来代替， f i g u r e1 - 2t h ec u r r e n tm o d e lo fl i n e s h p e db u s b a r 设a b 中有电流，通过。电流按线性变换沿s 轴流动，线电流i = 船+ ，其 中口、为任意常数。a ，b 两点的坐标分别为墨，。则根据毕奥一萨伐定律， 场点p 的磁感应强度为 b = 鲁f ：2 丁i d s x 尹0 ( 1 1 ) 4 万占iw ” 若令，= a e o s 孕, ，s = a t g 伊, ，则 曰= 等h 寿一赤m 赤一赤 n 2 ， 这种方法当计算场点落在母线内部，用等效线形电流计算公式计算，所得结 果误差很大。场点越接近轴线，误差就越大。 ( 2 ) 等效圆柱母线模型 将矩形母线电流所产生的磁场一律作为与其截面积、长度相等的圆柱母线通 过同样的电流所产生的磁场，如图1 - 3 。 图1 - 3 等效圆柱母线模型 f i g u r e1 - 3t h ec u r r e n tm o d e lo fc o l u n m e db u s b a r 4 配 砖 o 跚 i ：海交通人学博，i 二学位论文 第一章绪论 应用毕奥一萨伐定律计算各等效圆柱母线电流产生的磁场总和，在母线表面 及其外部空间任一点p 上产生的磁感应强度为 f 肚硫_ = 再- t o i 丽l 匹哥瓦专河瓦开 1、 一再石吾研j 0 3 等效圆柱母线数学模型计算所得的磁场也与实际的磁场存在一定的误差。因 为实际的母线截面是矩形的。载流圆柱母线的磁力线分布图形是以圆柱轴心为圆 心的一系列同心圆。而无限长矩形母线的磁场其磁力线分布图形为非圆形的。因 此，若场点在矩形母线内部或离母线不远处，用等效圆柱母线数学模型进行磁场 计算的结果与实际磁场存在一定误差。 ( 3 ) 矩形母线模型 对母线设备来说，母线截面尺寸较大，因而在作比较精确的计算时，可以把 母线的断面分成若干等分，电流也分成相应的等分，每个等分可以看作条母线。 如图1 4 ，设矩形母线段与z 轴平行放置，母线长度l = 7 , 2 一z 1 ，通过母线的 电流为j 。矩形母线电流视为由有限根细丝的线形电流所组成，因而矩形母线产生 的磁场为各线形电流产生的磁场的叠加。矩形母线模型更能真实的反映实际磁场 的分布。 x i 图1 4 矩形母线模型 f i g u r e1 - 4r e c t a n g u l a rb u s b a rm o d e l 针对各种母线的电磁场，直接积分法【3 矧、镜像法【7 捌、分离变量法【9 1 等都在一 定范围内得到应用。国内，西安交通大学的吴励咯、徐健学等人从二十世纪六十 年代开始对敝露式母线附近钢结构的感应发热问题及离相封闭母线的电磁计算进 行了大量细致的研究工作【1 0 m 】。 2 数值分析法 常用的电磁场数值解法有：基于m a x w e l l 方程微分形式的有限差分法、有限 元法和蒙特卡罗法等；基于m a x w e l l 方程积分形式的积分方程法、模拟电荷法、 5 ：海交通人学博i ：学位论文 第一章绪论 矩量法、边界元法和表面阻抗法等；以及根据上述两种各自优点组合而成的混合 法。这些方法各有特点，它们之间是互相补充而不是互相替代。 1 9 6 5 年，w i n s l o wa n 首次将有限元应用于电磁场数值计算。自2 0 世纪7 0 年代开始应用于工程实际，经过世界各国专家学者的努力，已取得了丰硕的成果， 在二维恒定场、二维涡流场及二维瞬态场等许多方面的研究已日臻完善。8 0 年代 初，三维场的研究蓬勃兴起，以有限元法、边界元法、积分方程法及各种不同的 组合法为主要研究方法。求解变量为标量位、矢量位、场量及它们各种组合形式。 应用领域则从静态场、正弦稳态场发展到瞬态涡流场、耦合场。 在电磁场的这些数值计算方法中，有限元法以其适应性强、程序易标准化、 计算精度高以及使用方便等优点而处于主导地位。在电磁场的有限元应用中，大 电流母线设备属于计算复杂的研究对象之一。纵观母线设备数值计算的发展过程， 常用于母线设备电磁场计算的有限元模型主要有以下几个。 ( 1 ) 二维静态场模型 在二维场分析中，矢量磁位近似认为只有轴向分量，只研究与母线设备垂直 的横截面磁场。一般电流被认为是已知的并恒定不变，无感应的涡流，电磁场方 程为 旦仁丝1 + 旦f 土丝1 ：一j( 1 4 )l 一l + l 一l = 一j l1 4 ) 缸l 缸砂l o yj 、 其中：么一矢量磁位的轴向分量；一材料的磁导率；一电流密度。 有限元中与上式相应的泛函为 r 口1 形0 ) = f f lf h d b j a 陋+ i h l a d s ( 1 5 ) 冒l 5 j妄 这种模型在研究直流母线槽的电磁场分布时比较常见，对于交流母线槽最初 不考虑涡流效应的时候也采用此模型来近似计算。根据这个模型，1 9 8 6 年，h o n j o r 【1 3 】等人采用自编的有限元程序对单根直流矩形母线的磁场、电磁力以及阻抗进行 了计算。1 9 9 8 年，i m a m u r am 等人【1 4 对三相并排摆放母线的直流和交流电磁场分 别进行了计算，并比较了直流和交流时母线电磁场分布的不同。 二维静态场模型由于不能考虑涡流，不能用来描述大电流母线设备中的实际 运行情况。它仅用来计算等效电路中的参数以及用来研究一些用解析法难以处理 的局部现象。 ( 2 ) 二维复数涡流场模型 根据电磁现象的变化快慢电磁分析可分为三大类型：静态场、涡流场和高频 场。求解区域中含有导电材料的似稳