基于解析Preisach模型的非晶合金磁滞特性模拟

作为一种高磁导率、高频损耗低的软磁材料,非晶合金已广泛应用于高频变压器等电磁装置。如何准确、快速模拟其固有的磁滞特性对设备的优化设计具有重要意义。针对经典Preisach磁滞模型数值求解耗时、分布函数辨识复杂、模拟非晶合金磁滞特性精度低等问题,提出了一种可准确快速模拟非晶合金磁滞特性的解析Preisach模型。首先针对非晶合金不可逆磁化分量分布函数,基于非晶合金磁滞特性曲线实验数据利用特殊解析函数进行拟合,然后在基于积分法得到闭合形式Everett函数的基础上构建了非晶合金不可逆磁化分量。引入了含参双曲正切函数表征非晶合金可逆磁化分量,继而通过线性叠加的方式得到了解析Preisach模型。将该模型对非晶合金磁滞特性模拟结果以及损耗计算结果与实验结果进行对比,发现相对误差小于10%,并且该模型数值求解简单、易于仿真实现,具有较高的准确性与实用性。     

一种考虑动态磁滞效应的高效稳定时域有限元计算方法

在时域有限元分析中,考虑铁心磁滞特性与损耗等效磁场对磁场分布的反馈作用,对精细化模拟电工装备的暂态电磁特性具有重要意义。针对耦合动态磁滞特性有限元分析中,存在计算时间长、收敛不稳定等问题,该文提出一种基于等效磁阻率的改进固定点迭代策略,并应用于耦合Preisach磁滞模型的时域有限元分析中。首先,鉴于逆Preisach模型易于数值实现且具有较高的计算精度,铁心材料的磁滞行为由逆Preisach模型进行描述,并基于解析一阶回转曲线对模型进行了参数辨识;其次,通过分析动态磁场分量对收敛性的影响,提出基于等效磁阻率的固定点迭代策略,并在有限元迭代过程中引入松弛因子以加强算法的收敛速度与稳定性;最后,以爱泼斯坦方圈为例,计算铁心中的磁场分布特性与瞬时损耗分布特性并进行实验验证。结果表明,该文所提动态磁滞有限元计算方法在具有较高精度的同时具有较好的收敛速度及稳定性。     

基于R-L分数阶导数的动态J-A磁滞模型及其特征参数辨识算法

在高频、直流偏磁等非标准磁化条件下,电力变压器的铁心损耗显著增加,造成其性能恶化。为实现对高频、直流偏磁下铁磁材料动态磁滞特性与损耗的准确模拟,该文首先在静态J-A模型中引入直流磁密,推导得到适用于描述直流偏磁条件下铁磁材料磁滞特性的静态J-A修正模型;然后引入R-L型分数阶导数对高频条件下涡流场及涡流损耗表达式进行改进,考虑涡流与剩余损耗对高频条件下磁化物理机制的影响,建立动态J-A模型;最后引入模拟退火算法,以损耗计算值与实测值之间的均方根误差最小化作为优化算法的目标函数,辨识模型中阻尼系数与分数阶导数阶次的全局最优值。将动态J-A模型模拟的磁滞回线和损耗与实验数据进行对比,结果表明:对高频磁场叠加直流偏磁条件下磁滞回线面积模拟误差绝对值为7.84%,损耗预测的平均绝对误差为7.35%,验证该文所提方法的准确性。     

解析正Preisach磁滞模型的推导与修正

准确且快速地模拟软磁材料的磁滞特性是电机、变压器等电力设备电磁场仿真及其优化设计等工作可靠展开的基本前提。然而,经典Preisach磁滞模型因包含了复杂的双重积分运算而难以达到上述要求,而现有唯一的纯解析Preisach模型存在推导失误、无法通用等问题。为此,针对该解析Preisach模型的问题,推导正确的Everett函数解析表达式,并基于Preisach基本原理,分析在其基础上考虑可逆磁化分量的本质原因,继而提出首个正确且通用的解析正Preisach模型。将仿真结果与实测结果进行对比,验证所提模型的精度。     

交直流混合激励下取向硅钢片磁滞及损耗特性模拟方法

该文对交直流混合激励下(既含偏磁又含谐波)取向硅钢叠片的动态、静态磁滞特性和损耗特性进行测量,分析激励中不同因素(如直流偏磁磁场强度、谐波次数)对损耗的影响规律.提出基于非对称极限磁滞回线的Preisach模型参数辨识方法,实现静态磁滞回线的准确模拟.提出交直流混合激励下异常损耗模拟及其参数提取方法,并基于损耗分离和场分离的等效关系,得到交直流混合激励下的Preisach动态磁滞模型.通过仿真和实验结果的对比,验证了该方法的有效性和准确性.     

基于非均匀单元离散法的静态逆Preisach模型分布函数辨识

逆Preisach磁滞模型在磁性材料磁滞特性模拟及其损耗计算中具有重要作用,而其分布函数的准确快速辨识是该模型成功应用于实际工程的关键。传统均匀单元离散法常用于确定逆Preisach模型分布函数,但该方法在模拟低磁密下的磁滞特性时,其精度不高。针对该问题,该文提出相对敏感度的概念,即在不同磁场强度下的磁滞回线面积的小干扰波动程度,进行不同磁密下逆Preisach模型的相对敏感度分析,发现逆Preisach磁滞模型在低磁密时的敏感度较高,因而需要在该区间强化分布函数的辨识。为此,该文提出一种提取逆Preisach磁滞模型分布函数的非均匀单元离散法,其相较于传统均匀单元离散法,不需要更多的实测磁滞回线数据,且降低了分布函数矩阵的计算量。实验及仿真结果表明,相比于传统方法,该文所提方法辨识逆Preisach模型分布函数的精度较高,求解速度较快。     

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。     

机械应力作用下电工钢片静态磁滞特性模拟方法研究

准确快速模拟磁性材料在不同应力下的磁滞特性对设计承受机械应力的电气设备铁心有重要意义。用BROCKHAUS-MPG200电工钢测试系统,测量了电工钢片样本在不同应力下的磁滞回线,发现其在应力作用下,磁滞回线会产生局部畸变的现象,且磁密越高,这种畸变越严重。为此,首次将2种常用的简化Preisach模型拓展至应力下的电工钢片磁滞特性模拟,发现仅有一种Priesach模型适用。根据该模型的基本特征,仅需利用具有畸变特性的实测极限磁滞回线,即可辨识不同应力值下的Everett函数。提出立方插值法提取以应力为变量的逆Everett函数,建立了应力下电工钢片的静态逆Preisach模型。实验及仿真结果表明,该模型计算精度较高,可用于实际工程中应力下磁性材料的磁滞特性模拟及磁滞损耗计算。     

基于R-L型分数阶导数与损耗统计理论的铁磁材料高频损耗计算方法

传统损耗统计理论对铁磁材料的高频损耗预测误差较大且存在过高估算的问题.为此,该文首先考虑高频条件下磁通密度不均匀分布对磁滞损耗的影响,提出基于有限单元剖分法的磁滞损耗计算方法.然后基于R-L型分数阶导数对传统损耗统计理论中的涡流场和涡流损耗计算式进行改进,并引入量子遗传算法对分数阶导数模型中阻尼系数和导数阶次进行全局寻...     

机械应力作用下电工钢片静态磁滞特性模拟方法研究

准确快速模拟磁性材料在不同应力下的磁滞特性对设计承受机械应力的电气设备铁心有重要意义。用BROCKHAUS-MPG200电工钢测试系统,测量了电工钢片样本在不同应力下的磁滞回线,发现其在应力作用下,磁滞回线会产生局部畸变的现象,且磁密越高,这种畸变越严重。为此,首次将2种常用的简化Preisach模型拓展至应力下的电工钢片磁滞特性模拟,发现仅有一种Priesach模型适用。根据该模型的基本特征,仅需利用具有畸变特性的实测极限磁滞回线,即可辨识不同应力值下的Everett函数。提出立方插值法提取以应力为变量的逆Everett函数,建立了应力下电工钢片的静态逆Preisach模型。实验及仿真结果表明,该模型计算精度较高,可用于实际工程中应力下磁性材料的磁滞特性模拟及磁滞损耗计算。     

基于Preisach模型的取向硅钢片直流偏磁磁滞及损耗特性模拟

基于Preisach磁滞模型,提出了面向非对称磁滞回线模拟的参数辨识方法,并应用于取向硅钢片的静态及动态磁滞特性模拟。通过实验获得取向硅钢片静态直流偏磁极限磁滞回线,利用数值方法生成具有非对称特征的一阶回转曲线,进而建立直流偏磁条件下的Everett函数。对静态下的直流偏磁磁滞回线进行拟合,通过与实验结果的对比,验证了该文方法的有效性。进一步考虑直流偏磁磁场和交流磁通密度峰值对异常损耗的影响,构建直流偏磁动态磁滞模型,实现了直流偏磁条件下取向硅钢片损耗特性的模拟,分析了直流偏磁对不同类型损耗的影响。     

基于Preisach磁滞模型的电工钢片磁特性模拟

电工钢片广泛应用于变压器等电气设备的制造中,其磁滞特性对电气装备的运行性能具有十分重要的影响,因此,需要精确高效的磁滞模型以描述电工钢片的磁滞特性。为此,基于Preisach理论将Preisach分布函数写成2个1维函数的乘积形式,由分布函数积分获得Everett函数及动态磁化率,并将积分以封闭形式进行表征,将推导出的闭式表达式应用于Preisach模型中可以模拟不同频率下电工钢片的磁化过程。并且以电工钢片为实验样本进行了仿真和实验,二者对比结果表明该模型运算速度快,仿真准确,具有较高的精度,能准确模拟电工钢片在磁化过程中的磁滞特性。     

解析逆Preisach磁滞模型

如何在保证模拟精度的基础上，提升逆磁滞模型的计算速度一直以来是国际电磁场领域研究的热点问题。然而，现有所提逆磁滞模型难以兼顾精度与速度的双重要求。解析形式的逆磁滞模型具有较快的求解速度，如何提出高精度的此类模型是解决上述问题的关键所在。为此，该文利用课题组所提基于解析Everett函数推导而得的解析正Preisach磁滞模型，分别推导了初始磁化曲线、磁滞回线下降支与上升支的磁导率的解析表达式，继而利用差分法，推导得到了目前唯一一个解析的逆Preisach磁滞模型。通过对比仿真与实验结果，验证了所提解析逆Preisach磁滞模型的模拟精度，并在模拟精度与计算速度两方面将其与广泛应用的逆J-A磁滞模型进行对比，发现它的平均相对误差比逆J-A磁滞模型小10%以上，且其计算速度约为逆J-A磁滞模型的2.67倍。     

基于场分离技术与损耗统计理论的动态Energetic磁滞模型

建立准确且高效的动态Energetic磁滞模型对磁性元器件的优化设计具有重要意义。然而,现有动态Energetic模型物理意义并不明确,且有效性尚未得到实验验证。针对原始静态Energetic模型仅包含磁滞损耗,而无法考虑磁性材料在交流激励下的动态涡流及剩余损耗的问题,首先从能量平衡的角度出发,基于场分离技术与损耗分离的思想,推导了各损耗分量与其对应的磁场强度分量之间的等效关系;其次,利用损耗统计理论推导涡流与剩余损耗相应磁场强度分量的解析表达式,从而在此基础上运用场量叠加的方式,建立一种基于场分离技术与损耗统计理论的新型解析动态Energetic模型。仿真及实验结果表明,所提动态Energetic模型不仅物理意义清晰明确,同时具有较高的准确性与实用性。     

基于Energetic模型的直流偏磁条件下电工钢片磁特性模拟及实验验证

直流偏磁条件下,变压器励磁电流畸变,损耗显著增加,导致变压器局部过热甚至绝缘老化。为研究直流偏磁对铁磁材料磁滞和损耗特性的影响,该文首先在静态Energetic磁滞模型的基础上,考虑涡流损耗和异常损耗对磁滞回线的影响,建立动态Energetic模型,并利用优化算法和损耗分离理论分别提取无偏磁条件的静态Energetic磁滞模型参数和动态损耗系数。通过对比磁滞回线仿真结果与实测数据,验证了所建模型的准确性;其次,搭建磁性能测试系统,实验获取了不同偏磁工况下电工钢片的磁滞特性和损耗特性数据,并分析直流偏磁量对磁滞损耗、动态损耗(涡流损耗与异常损耗之和)的影响规律;最后,基于上述分析结果,提出一种对不同偏磁条件下铁磁材料的磁滞回线及磁损耗进行预测的新方法。对比预测结果与实验结果,发现二者吻合较好,验证了该文方法的正确性。     

基于一阶回转曲线的Preisach磁滞模型研究

针对Preisach标量模型的磁滞算子几何叠加的原理,提出了基于一阶回转线进行磁滞特性研究的新模型。该模型基于Preisach模型的同余性和一阶回转曲线数据建立相应的磁滞数学模型,可以对铁磁材料的高阶回转曲线进行准确仿真。该模型实现简单,避免了传统数值方法求解Preisach分布函数必须进行两次求偏导和双重积分计算的复杂过程,并且提高了磁滞数学模型仿真精度。仿真结果与文献中测量结果相吻合,验证了该模型的准确性及有效性。     

基于cosh函数的Preisach磁滞模型参数辨识与验证

除了导热、介电等物理特性之外,电工磁性材料的磁滞特性精确建模是电磁设备优化设计的共性基础问题。建立准确的磁滞数学模型,对设计电机、变压器等设备至关重要。基于Preisach模型,用cosh函数来代替Preisach分布函数,同时引入Everett函数建立解析形式的磁滞数学模型。利用BH-Loop分析仪,对电机中常用材料50WW600进行实验。应用差分进化算法,以磁滞回线计算值与实验值之间的方差为适应度函数,辨识了模型的三个参数。通过所建模型的仿真值与实测曲线的对比,验证了模型的准确性,可以有效地模拟铁磁材料的静态磁滞回线。     

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。     

考虑可逆分量的解析Preisach磁滞模型及其特征参数辨识算法

基于洛伦兹函数的解析Preisach模型具有形式简便、分布函数易于确定等优势,但如果考虑可逆磁化分量,模型的复杂程度和参数会显著增加,导致用于传统模型参数辨识的解析或神经网络等方法不再适用。为此,首先通过引入可逆磁化分量,构建一种考虑可逆分量的解析Preisach模型;然后,分析了各个特征参数对磁滞回线形状的影响规律,并且结合循环迭代法与粒子群算法,提出一种针对考虑可逆分量解析Preisach模型的特征参数混合寻优算法;最后,将所提磁滞模型及其参数辨识算法得到的磁滞回线计算值与实测值进行对比。结果表明,该模型及其参数辨识算法的最大平均相对误差为4.49%,验证了该方法的准确性和有效性。     

基于动态J-A模型的直流偏磁条件下电工钢磁特性模拟及实验验证

直流偏磁下,变压器励磁电流畸变,损耗显著增加,导致变压器局部过热甚至绝缘老化。为研究直流偏磁对铁芯铁磁材料磁特性的影响,在经典Jiles-Atherton(J-A)理论基础上,依据损耗分离理论,建立了动态J-A模型。利用优化算法与损耗分离理论分别辨识与计算未引入直流偏磁量的静态模型参数和动态损耗系数,并通过仿真结果与实测数据对比,验证了模型的准确性。搭建电工钢磁性能测试系统,获得不同直流偏磁条件下电工钢的损耗及磁性能数据,并用于分析直流偏磁量对磁滞损耗、动态损耗的影响规律。基于分析得到的规律,提出一种对不同偏磁条件下铁磁材料的磁滞回线及磁损耗进行预测的新方法。对比预测结果与实验结果,发现二者拟合较好,验证了该方法的正确性和有效性。