非正弦激励下纳米晶材料高频磁心损耗的计算方法改进与验证

软磁材料广泛应用于各种电气设备的铁心，磁心损耗的精确计算关系着电气设备的效率。尤其是高频非正弦激励条件下磁心损耗的精确计算，是逆变器、电力电子变压器和高频电抗器等电力电子装置的优化设计的重要组成部分。该文首先总结了几种非正弦激励下的磁心损耗的计算方法，对比几种改进的Steinmetz经验公式，分析磁化过程对磁心损耗的影响；然后提出一种考虑磁感应强度变化率的改进Steinmetz波形系数公式（WcSE）计算模型，推导出高频方波和矩形波激励下的损耗计算表达式；接着搭建高频非正弦激励下的软磁材料磁特性测试系统，在频率为10～70kHz范围内对环形纳米晶样品（FT-3KL和FT-3KS）进行不同占空比的方波和矩形波激励下的高频磁特性实验，得到方波和矩形波激励下的磁心损耗实验测量值；最后对比实验值和几种修正Steinmetz模型的计算值，并进行误差分析，得到改进的WcSE计算模型的平均计算误差在20%以内，均小于Steinmetz修正公式、修正广义Steinmetz公式和WcSE的计算误差的结论，验证了所提改进的WcSE新模型的计算精确性，为电力电子装置的磁心损耗预测以及优化设计提供了重要依据。     

双向全桥DC-DC变换器中大容量高频变压器绕组与磁心损耗计算

精确预估非正弦波激励下高频变压器绕组与磁心损耗、研究不同模态下变压器损耗的变化趋势,对于电力电子变压器(PET)精细化设计至关重要。在对PET中间级——隔离式双向全桥DC-DC变换器工作原理进行分析的基础上,建立变换器的近似等效电路模型,得到一种适用于隔离式双向全桥DC-DC变换器中高频变压器绕组损耗计算方法。在计算方波、梯形波电压激励下的磁心损耗时,推导出修正的Steinmetz经验公式简化解析计算式,引入仅与占空比和上升时间有关的修正系数,据此可直接利用正弦波激励下的损耗系数,快速获取典型工作模态下磁心损耗。设计制作一台1.2k V/0.3k V/5k V·A非晶合金磁心高频变压器试验模型,将所提方法的计算结果与有限元仿真和试验测量结果对比,验证了所提方法的有效性。     

非正弦激励下磁心损耗的计算方法及实验验证

在电力电子装置中,磁性元件的输入电压波形往往不是正弦波,研究非正弦激励下电力电子装置中磁心损耗的计算方法有重要意义。首先介绍正弦激励下磁心损耗的计算方法,在此基础上研究了非正弦激励下磁心损耗的计算方法,得到了修正铁耗分离法和修正Steinmetz经验公式法计算式。其次,考虑磁心叠片的趋肤效应,对修正铁耗分离法做了进一步改进。然后,对环形非晶和纳米晶磁心的损耗测量结果进行数值拟合,得到了非正弦激励下两种方法的解析计算式,并比较了应用两种计算方法的损耗计算结果。最后,分别对环形非晶和纳米晶磁心开展非正弦激励下的磁心损耗测量实验,将实验结果和上面两种计算方法的解析结果进行比较,验证了非正弦激励下两种计算方法的准确性。     

正弦与非正弦激励下高频变压器磁心损耗计算与验证

提高正弦和非正弦激励下的磁心损耗模型的计算精度,对高频变压器的设计与研究有重要意义.本文首先在经典正弦损耗分离模型的基础上引入涡流和剩余损耗修正系数,推导出在方波与三角波电压激励下修正的损耗分离计算模型,并通过实验室搭建的磁特性测量系统测量出非晶与纳米晶磁心的损耗数据.其次,依据损耗系数随磁通变化的特性,提出一种改进的损耗分离模型的方法,与经典模型相比有更高的准确性,并得出非正弦激励下改进的计算模型.最后,对比分析方波与三角波电压激励下的计算结果与测量值,验证了本文提出的改进损耗分离模型的有效性与可行性.     

非正弦激励下中频变压器铁损计算方法对比分析

为了对非正弦激励下中频变压器(MFT)的铁芯损耗进行准确的计算,对比了几种基于原始Steinmetz公式(OSE)的铁损计算修正方法。首先,从修正原理上对上述修正方法进行了对比分析;其次,针对典型的中频变压器端口电压方波波形,并参考三角波电压激励,推导了上述修正方法在这两种波形下的铁损计算式;然后通过搭建铁芯磁滞回线测量系统,对一纳米晶磁环铁芯在中频范围内的原始Steinmetz经验公式系数进行了拟合,并对比了铁芯方波与三角波激励下铁损密度实测值和各修正方法解析计算值。结果表明:Steinmetz波形系数公式(Wc SE)的误差最小,对纳米晶铁芯在中频非正弦激励下进行损耗计算,应用Wc SE最为准确。研究结果可为中频变压器在设计与优化阶段铁芯损耗的准确计算提供参考。     

基于损耗分离理论的非正弦激励磁心损耗计算方法研究

精确且快速预估非正弦激励下的磁心损耗,对电力电子装置内部磁性元件的优化设计至关重要。本文分别从求解精度、模型参数提取复杂度两方面,评价了3种基于损耗分离理论的非正弦激励磁心损耗算法,以此筛选出其中综合性能最优的算法。首先从损耗分离的基本理论、利用傅里叶分解求解频域损耗,以及基于时域的观点计算非线性损耗等方面,对3种损耗算法进行了剖析。其次,推导了各算法在三角波、方波激励下的损耗解析计算公式,并通过实验测量了硅钢、非晶及纳米晶磁心的损耗。最后,比较了它们的计算精度和模型参数提取的特点及复杂程度。结果表明,时域损耗算法的求解精度最高,且与其他两种频域损耗算法相比,该时域算法的模型参数提取复杂度较低,是综合性能最优的非正弦激励磁心损耗算法,建议在磁性元器件优化设计等领域选用该算法求解非正弦激励下的磁心损耗。     

不同激励条件对铁氧体磁心损耗的影响

在软磁器件的设计中,磁心损耗的计算是设计人员的重要工作内容.在不同的激励条件下,磁芯的损耗也不同.综合介绍了直流偏置,矩形波激励和方渡激励务件下铁氧体磁心损耗模型.在有直流偏置的正弦波激励下,铁氧体磁心损耗会增大.在不同激励条件下通过对经典斯坦麦茨(Steinmetz)公式进行修正后其计算结果更符合实际情况.     

非正弦励磁下磁芯损耗的计算

磁性元件的损耗在开关电源中占相当大的比例,因此磁芯损耗的计算在开关电源设计中相当重要. 文中首先介绍了在正弦励磁下,计算磁芯损耗的Steinmetz 经验公式,然后对修正的Steinmetz 经验公式进行了回顾.修正后的公式可以用来计算非正弦励磁下的磁芯损耗,同时所需参数和修正前的公式一样.最后介绍修正的Steinmetz 经验公式在开关电源领域中的应用.     

方波激励下纳米晶体铁心损耗模型建立与验证

为了实现电力机车小型化轻量化的发展要求,国内外专家考虑通过采用提高变压器的工作频率减小变压器整体的体积和质量。铁心作为高频变压器的关键部件,可以准确计算铁心损耗,对中高频变压器的设计和优化具有重要作用。针对高频变压器铁心通常是工作在方波或脉宽调制(PWM)波等非正弦激励下的特点,对传统Steinmetz损耗计算模型进行了优化改进,给出了考虑磁密的变化率及波形系数对损耗的影响的Steinmetz改进损耗模型。同时,为了提高损耗模型在不同特征频率下的通用性,进一步对损耗模型系数的非线性进行研究,给出了模型系数随频率变化的非线性函数。最后,利用有限元计算结果同实物测量结果进行比较,证明了所提损耗模型在方波激励下对纳米晶体铁心计算的准确性。     

非正弦激励下纳米晶铁心损耗的计算方法与实验验证

为了提高复杂激励下电力电子装置中铁心损耗的计算精度,该文提出两种用于计算矩形波叠加直流偏置激励(即非正弦激励)下铁心损耗的计算方法.首先,修正延伸到矩形波激励计算的斯坦梅茨公式(RESE)以适应非正弦激励,并推导出相应的计算式.其次,考虑在非正弦激励下,等效电导率ρ 的非线性,对铁耗分离法做进一步修正.然后,构建磁滞回...     

考虑偏置小磁滞回环的非正弦激励下磁性材料损耗计算方法

准确、快速地计算磁性材料在非正弦激励下的损耗是变压器、电机等电力设备优化设计的关键环节,特别是当其包含偏置小磁滞回环的情况。然而,在现有的文献中还没有高效系统地考虑偏置小磁滞回环的非正弦激励下磁性材料损耗的算法。从主磁滞回环与其内部偏置小磁滞回环相互独立的角度出发,分别计算这两种环对应的磁滞损耗与剩余损耗分量,并基于简化静态Preisach模型推导磁滞损耗的通用算式;针对损耗统计理论(statistical theory of losses,STL)剩余损耗统计参数提取较为繁琐的问题,利用简化动态Preisach模型与STL剩余损耗算式之间的函数关系,推导剩余损耗统计参数的通用辨识公式,继而提出一种考虑偏置小磁滞回环的磁性材料非正弦激励损耗算法。利用所提算法,仅需少量传统正弦激励下的数据即可辨识模型所有参数。最后,通过实验及仿真验证所提算法的准确性与实用性。     

一种多谐波激励下取向硅钢片的磁滞及损耗特性预测方法

基于损耗分离与场分离的统一性,利用Preisach模型实现静态磁滞损耗的计算,提出单一频率正弦激励下异常损耗参数辨识的改进方法,有效地提高了正弦激励下动态磁滞模型的计算精度。利用软磁磁性能测量系统,基于取向硅钢片在多个不同单频正弦条件下的损耗测量结果进行参数提取,构造多谐波激励下异常损耗对应场量的表达式,从而提出任意复杂多谐波激励下取向硅钢片的动态磁滞模型。在多种不同工况下,将动态磁滞回线及总铁耗的预测值与测量值进行对比,二者较为吻合,说明了文中所提模型的有效性和通用性。     

高频磁场环境下热电偶测温研究

在高频磁场环境下采用热电偶测温时,会存在很大的误差。本文分析了误差产生的机理,指出测温误差是由于高频磁场环境下热电偶金属端部的涡流效应产生较大的损耗密度所引起。在电磁场理论分析的基础上,搭建了热电偶高频磁场环境测温平台,结合测量结果,采用多元非线性回归算法建立了正弦波磁场环境下的K型热电偶温升模型,以修正高频磁场涡流效应的影响。利用加权平均等效正弦频率的方法,将正弦波磁场激励下的热电偶温升模型应用于方波电压激励下的三角波磁场测温环境。实验验证了本文建立的模型在正弦波与三角波高频磁场下具有很高的测温精度。     

谐波激励下变压器铜屏蔽杂散损耗的计算和验证

通过参考IEC61378-2标准提供的换流变压器谐波损耗计算方法,得出计算变压器铜屏蔽杂散损耗的解析公式。基于P21~c-EM1简化模型,采用一种新的杂散损耗测量方法,即通过模型总损耗测量值减去模型激励线圈损耗的精确仿真值得到结构件中的损耗,以此作为实验值,对解析公式计算的结果进行验证。结果表明:铜板的基波损耗计算结果与实验值基本一致;基波叠加多次谐波激励下的铜板损耗与各次谐波单独激励下的铜板损耗之和大致相同;在激励电流频率相同的情况下,铜板杂散损耗与电流大小的平方满足一定的比例关系;在激励电流大小相同的情况下,铜板损耗与电流频率的0.8次方不满足IEC标准给出的频率特性。基于此,引入一个考虑磁场分布的修正因子对频率特性进行修正,通过修正结果与实验值的对比验证了修正因子的合理性。     

低频叠加PWM波复合励磁下磁心损耗的测量与模型

针对功率因数校正电路(PFC)和逆变器等的应用,分析低频和PWM波复合励磁工况下磁心损耗的特点,提出一种可独立控制低频和高频磁通密度分量,并能获得两种分量磁心损耗的测量方案。通过测量该工况下的动态磁滞回线,深入研究了各个高频周期的动态磁滞回线状态,得出了励磁和去磁过程中高频周期内低频和高频损耗分量面积的计算公式,从而实现了低频和高频损耗分量的分离和模型的建立。最后,通过实验验证了模型的准确性。     

考虑磁滞与谐波特性的开关磁阻电机铁损分析

非晶合金开关磁阻电机(SRMA)的双凸极结构和脉冲供电方式决定了电机内磁场分布的非正弦性,并且不同部位磁通密度波形具有较大差别,导致难以准确计算SRMA的铁心损耗。考虑到非正弦激励下铁心损耗难以用传统的Bertotti损耗分离模型进行计算,本文提出一种耦合Play磁滞模型与变修正系数动态损耗模型的SRMA铁损有限元分析方法。首先,构建非晶合金磁特性测量平台,测量了不同工况下的磁滞回线与损耗特性;其次,根据测量得到的准静态磁滞回线对Play磁滞模型进行参数辨识,并用该模型计算SRMA的磁滞损耗;引入与磁通密度和频率相关的变修正系数,对含高次谐波的SRMA铁心动态损耗进行准确计算;最后,将Play磁滞模型与变系数傅里叶分解损耗计算方法应用于SRMA铁心损耗的有限元分析之中,并进行了实验验证。结果表明,所提方法在SRMA铁损计算中具有较高的精度。     

LLC谐振变换器大功率高频变压器分析与设计

随着电力电子技术的快速发展,大功率电力电子高频变压器得到广泛关注。对于LLC谐振变换器,变压器的设计对于提高其变换效率和功率密度至关重要。针对一个应用在LLC谐振变换器中的60 kW大功率高频变压器,从磁芯损耗和绕组损耗计算出发,用修正的斯坦麦斯公式计算磁芯损耗,将正弦激励下的绕组损耗模型等效为一维涡流模型,力求总损耗最小。详细给出了其设计关键考虑点、设计思路、分析依据和优化方案。最后通过仿真验证了设计的正确性。     

正弦及谐波激励下铁磁材料损耗模型的改进和验证

通过搭建爱泼斯坦方圈磁特性测量系统,首先对铁磁材料在宽频率范围内的正弦磁损耗进行实验研究,综合考虑材料动态损耗的特性,在经典损耗分离模型的基础上提出动态损耗系数,建立改进的正弦磁损耗模型并进行实验验证。在此基础上,为了解决铁磁材料在谐波激励工况下磁损耗的建模方法问题,综合考虑磁通密度波形畸变后的特征,将谐波磁通密度波形分解为主磁通和局部反转磁通,并进行正弦化近似处理,之后结合外推磁滞损耗法、经典涡流损耗公式以及上述动态损耗系数,建立谐波激励下铁磁材料的损耗计算模型。最后对谐波激励下实验数据和计算数据进行对比分析,结果表明,引入动态损耗系数的损耗计算模型在任意谐波激励下均可获得较高的预测精度,从而验证所提损耗模型的有效性和可行性。     

考虑脉冲宽度调制激励特征及松弛过程影响的铁磁材料损耗分离模型研究

准确高效求解非正弦条件下的磁损耗,对电工装备发热分析及优化设计具有重要意义。为了研究脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)激励下铁磁材料的磁损耗建模方法,通过搭建磁通密度可控的PWM激励磁特性测试系统,测量获得不同工况下硅钢片的磁滞特性和损耗特性数据,并分析PWM激励的特征(电压波形、磁密波形、调制比)对损耗各分量的影响。同时,结合PWM激励时材料磁滞过程的分析,考虑电压突变为零时松弛过程对剩余损耗的影响,提出一种计及PWM激励特征及松弛过程的改进损耗分离模型,实现PWM激励下磁损耗的有效计算,并进行相关的实验验证。仿真及实验结果表明,所建立的模型具有较高的计算精度和工程适用性。     

基于改进损耗分离模型的铁磁材料损耗特性研究

为了在较宽频率和磁通密度范围内实现铁磁材料损耗的准确预测,为电力变压器的优化设计提供参考,该文以经典Bertotti损耗分离模型为基础,提出一种既能考虑铁磁材料非线性,又能准确模拟谐波激励条件下材料损耗的计算模型.首先,基于正弦激励下测量的铁损数据,采用二频率法计算低频低磁通密度条件下的磁滞损耗,并求得磁滞损耗表达式.然后,根据磁通密度变化率的有效值提出动态损耗因子以计算剩余损耗,实现了铁损分离.在此基础上,考虑到磁通密度较高时铁磁材料的非线性,引入非线性修正项对损耗进行修正.最后,针对铁磁材料的实际工作条件,计算1000Hz频率范围内以及不同谐波激励工况下的损耗.结果表明,损耗计算值与实验测量值吻合度较高,验证了模型的有效性.