铁心旋转损耗模型改进与局部损耗测试

电机定子轭部及齿根部存在大量的椭圆形旋转磁通,其产生的旋转损耗大于交变损耗,因此旋转损耗的准确计算是电机优化设计的前提和基础。该文基于德国RPT型二维旋转磁特性测量系统,测量并分析了无取向电工钢片旋转损耗特性。在研究传统Bertotti损耗三项式模型和斯坦梅兹方程计算铁耗方法的基础上,提出考虑椭圆形旋转磁化下铁心损耗改进模型,并用自制的B-H矢量传感器对一台感应电机定子铁心模型的局部损耗进行实验测试,验证了改进模型的有效性。     

电工钢片旋转损耗特性分析与损耗模型修正

高效、超高效电动机的设计关键是降低各项损耗。然而,无论是使用高质量的电工钢材料还是改进电机结构降低铁耗都离不开对电工钢材料复杂磁特性的准确把握。为深入研究实际工况下电工钢片损耗特性,利用先进的电工钢片旋转磁特性测量装置,研究了无取向电工钢片单位铁损特性及其与磁化方式、磁化轨迹的关系。从提高旋转损耗计算精度和工程实用性角度,提出了修正的椭圆损耗计算模型和修正的正交分解损耗模型,验证了修正模型对近乎实际工况下铁损计算的有效性。研究表明,修正的损耗计算模型降低了实施矢量磁滞模型与有限元耦合计算旋转铁耗的复杂程度,满足了工程精度要求。由于修正模型的系数充分拟合了旋转特性测量数据,所以降低了模型应用过程中对旋转磁特性测量装置的依赖,提高了模型的实用性。     

考虑不同磁特性模型的感应电机铁心损耗分析

电机铁心损耗与铁心磁化方式及不同磁化条件下电工钢片的磁特性密切相关。该文研究了3种描述电工钢片交变磁化、交变旋转混合磁化的磁特性模型,即改进型 E&S模型、复数E&S模型和传统B-H曲线,给出了相应的损耗计算公式,并以一台三相感应电机为算例,从有限元数值计算和样机实验测试两方面对比分析了上述3种磁特性模型及其损耗计算的有效性。研究结果表明,只有在有限元分析过程中耦合同时能够描述电工钢片交变磁化和旋转磁化的矢量磁特性模型,才能较为准确地计算三相感应电机铁心损耗。     

高速永磁电机铁耗的分析和计算

高速电机由于高频供电,定子铁心内磁场变化频率的增高,导致铁耗增大,准确的铁耗计算显得尤为重要.本文通过实际测量有取向电工钢片不同频率和不同轧制方向的铁心损耗,对实验数据进行回归分析,确定铁耗计算模型中磁滞和涡流损耗系数.通过有限元分析,根据定子铁心不同区域磁场的变化规律,综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响,对一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机的铁耗进行了分析计算,并与试验结果进行了比较.结果表明,考虑旋转磁场及谐波磁场分量影响时的铁心损耗更接近实际测量值.     

无取向电工钢片旋转磁特性测量与损耗特性分析

设计低耗、高效变压器和电机离不开对铁心的磁化特性与损耗性能的精准把握。实际运行工况下,铁心中同时存在交变磁场和旋转磁场,且交变磁场和旋转磁场存在着本质的不同,因此探究电工钢片在旋转磁场下的磁化特性和损耗性能就显得至关重要。本文以电机定子作为电工钢片旋转磁特性励磁装置,通过电机的三相励磁绕组产生椭圆形旋转磁场,给出两相输出反馈到三相输入的控制策略,研究不同磁化角度、轴比对损耗特性的影响。并分析了传统正交分解损耗模型在高磁通密度下计算误差较大的原因,提出修正模型,解决了原模型在高磁通密度下存在较大计算误差的问题,为优化设计新一代高效率变压器、电机奠定基础。     

高频高磁密时叠置硅钢片的铁芯损耗计算式改进

已有的铁芯损耗计算式并未考虑高频高磁密时频率和磁密对损耗系数的影响。为解决该问题,提出了一种改进的铁芯损耗计算式。基于几种典型硅钢片的出厂原始数据,以及通过构建的新型3维磁特性测试系统实验所得的宽频铁耗数据,采用改进计算式研究了涡流集肤效应和动态磁滞回线对损耗系数的影响。在此基础上绘制出新的铁芯损耗曲线,并与实测数据进行了比较。结果表明:采用该计算式所得铁耗与实测数据具有很好的一致性,该方法能显著提高计算精度,使最大误差由35%降低到10%以下;同时验证了在高频高磁密时,损耗系数应当随着频率和磁密的变化而变化。     

无刷双馈电机谐波铜耗与铁耗的分析与计算

针对无刷双馈电机谐波含量高、谐波损耗大的问题,提出考虑谐波磁场、谐波电流、集肤效应和旋转磁化影响的BDFM损耗计算模型.基于二维场路耦合时步有限元模型和谐波分析方法,分别建立两种转子铜耗计算模型和三种定转子铁耗计算模型,分析不同计算模型对转子铜耗和定转子铁耗的影响,得到定转子谐波铜耗和铁耗的变化规律.结果表明,转子铜耗模型2以及定转子铁耗模型3更精确;随着控制绕组电压的增加,定转子铜耗先减小后增加,定转子铁耗持续增加;随着负载转矩的增加,定转子铜耗和铁耗均随之增加.通过与一台相似异步电机铜耗和铁耗的电磁设计数据和实验数据的比较,验证了模型与计算结果的正确性.     

一种考虑磁滞和微观涡流效应的电磁模拟方法

电机和电力变压器电磁仿真以实心材料代替硅钢叠片铁心,难以准确描述涡流路径,并且忽略了涡流效应影响。该文提出了一种考虑微观涡流和磁滞的电磁模拟算法。通过一阶回转曲线计算磁滞过程的Everett函数,从而辨识逆Preisach模型的参数,并对微观涡流损耗系数进行优化拟合;构建考虑微观涡流和磁滞效应的电磁本构方程,设计有限元离散和方程组迭代的算法,实现Maxwell方程、磁滞和微观涡流场的耦合。最后,对无取向钢片35WW270进行了交变一维磁特性和旋转二维磁特性的实验。为了验证数值算法的有效性,三维磁特性测量装置简化为二维模型进行电磁有限元仿真,仿真结果与交变和旋转磁特性测量结果吻合较好,验证了叠片铁心微观涡流算法的正确性和有效性。     

基于有限元的永磁无刷直流电动机铁耗分析与计算

建立了基于Bertotti铁耗分离理论,全面考虑交变磁化条件和旋转磁化条件下的永磁无刷直流电动机的铁耗计算模型。通过结合时步有限元方法,精确计算出了一台30 kW、4极3相表贴式永磁无刷直流电动机在额定转速为8 000 r/min时的定子铁心损耗。相较于传统的铁耗计算经验公式,本模型提高了永磁无刷直流电动机铁耗计算的精度和准确度,对电机的优化设计具有指导意义,有较好的工程应用价值。     

潜油永磁同步电机铁耗分析与计算

以潜油永磁同步电机为载体,基于磁密谐波以及旋转磁化分析电机铁耗,通过有限元计算得到两种模型在不同速度下的铁心损耗,并通过实验对电机模型进行了验证,结果表明电机损耗计算考虑磁密谐波以及旋转磁化的影响更接近于测量值。在计算类似潜油永磁同步电机铁耗时用2号铁耗模型计算。     

Calculation of iron loss in rotating machines by direct consideration of eddy currents in electrical steel sheets

A method for calculation of iron loss in rotating machines is proposed. The calculation employs the finite element method while taking into consideration the eddy currents in electrical steel sheets. First, the electromagnetic field distribution and iron loss of several types of electrical steel sheets are calculated by the proposed method, formulated as a one‐dimensional model. The results are compared with those of experiments and the conventional method in order to verify the validity of the proposed method. The influence of the skin effect and magnetic saturation in the electrical steel sheets on the iron loss characteristics is also investigated. Next, the proposed method formulated as a three‐dimensional model is applied to several types of rotating machines. It is shown that the skin effect is significant in the case of high‐frequency harmonic fields and that direct consideration of eddy currents by the finite element method is indispensable in such cases. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 176(3): 69–80, 2011; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21053     

考虑硅钢片二维矢量磁特性的复数E&S模型

电工材料电磁特性的精细模拟是决定电工装备电磁场分析与损耗计算正确与否的关键因素之一。提出了一种能够描述硅钢片二维矢量磁特性的复数E&S模型,该模型既能够考虑交变磁化,又能够考虑旋转磁化的影响。基于硅钢片二维磁特性测量实验,提出了利用1个周期内磁能密度平均值计算模型中有效磁阻系数,利用磁滞损耗密度计算有效磁滞系数的方法。推导了结合复数E&S模型的磁场有限元分析公式,并以环形铁心模型为例,将复数E&S模型与传统E&S模型的计算结果进行了对比研究,指出复数E&S模型与有限元结合时既能够节省计算时间又能够保证材料特性模拟的准确性,是一种更适用于工程应用的矢量磁特性模型。     

永磁无刷直流电机铁耗计算方法

永磁无刷直流电机因其优良的性能,使用越来越广泛。准确计算铁耗对永磁无刷直流电机设计至关重要。依据分立铁耗计算模型,利用时步有限元法计算,提出了磁密波形法和磁密轨迹法两种只采用交变损耗计算系数进行电机铁耗计算的方法。通过并顾及交变磁化和旋转磁化的准确计算方法相比较,得出了最适合使用的方法。     

考虑旋转磁通的PMSM铁心损耗数值计算

为了准确计算交流永磁同步电机(PMSM)铁心损耗,采用二维有限元法对PMSM定子与磁极区域电磁场进行了分析研究,阐述了定子铁心不同区域磁场的变化规律及磁极区域涡流场的分布规律.在此基础上,借助谐波分析的方法,综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响,给出了一种较准确求解定子铁心损耗和PMSM转子涡流损耗的计算方法,并与传统的计算方法进行了比较.结果表明,考虑旋转磁场及谐波磁通密度影响时的定子铁心损耗计算值与传统的仅考虑交变基波磁通密度时的损耗计算值相比有显著增加,更接近于实际测量值,磁极涡流损耗值与定子槽口大小密切相关,占电机总损耗的比重较大,是不可忽略的.     

电机定子铁心片间短路故障分析的解析法

为了分析电机定子铁心片间短路故障,提出一种故障区域电气量参数的解析计算方法。在考虑硅钢片中交变磁场的集肤效应的基础上,推导硅钢片磁场的解析式和复功率表达式,进而求出单片硅钢片感应电压;并根据单片硅钢片等效电路分别建立初始故障和完全故障区域等效电路。再根据故障域等效电路计算相关电气量参数,定量分析故障片数对故障区域电气量参数的影响。最后通过有限元仿真和片间短路故障实验验证文中所提方法的正确性与有效性。结果表明:解析法计算结果与有限元仿真和实验检测结果有较好的一致性,本文提出的方法可以有效地用于片间短路故障分析。     

Core losses in motor laminations exposed to high-frequency or nonsinusoidal excitation

This paper first reviews three internationally standardized core loss measurement methods: the Epstein frame, toroids, and single sheet testers. A comparison of the Epstein frame and toroid test results is presented for annealed and unannealed steel. Two methods are used to predict core losses under nonsinusoidal supplies. The first method uses the Fourier series and an improved loss separation algorithm to predict no-load core losses under brushless DC motor flux waveform excitation with a flux density known spectrum. The second method uses the form factor concept and an improved loss separation algorithm to predict core loss. The combination of the improved loss separation algorithm and the form factor concept was found to yield results close to the measured losses under high-frequency supplies, such as pulsewidth-modulated waveforms. An Epstein frame with commercial 0.0140-in (0.356 mm) electrical steel was used for direct core loss measurements; the methods and test bench used are detailed in the paper, along with test results.     

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。     

开关变换器功率电感磁损建模及应用

以Buck、Boost变换器为例,根据磁损分离模型理论和开关变换器电路工作特征,提出一种简化的功率电感磁芯损耗计算模型。无需依赖任何磁性材料系数,仅利用一组正弦激励磁芯损耗数据就可预测Buck、Boost变换器在不同占空比下的磁损。该模型可有效体现不同因素对磁损的具体影响,通过实验测试数据验证了所提计算模型的正确性。     

电工软磁材料旋转磁滞损耗测量及建模

电力变压器和电机中存在旋转铁心损耗是其损耗预测不准的主要原因之一。针对该问题,提出电工软磁材料旋转磁滞损耗测量及建模方法。首先,矢量磁滞损耗分解为切向损耗和法向损耗两部分,分别根据圆形旋转损耗和交变损耗建模。其次,对软磁复合材料和无取向电工钢片进行模型参数辨识,并比较两种材料的损耗特性和模型参数。最后,利用三维磁特性测量装置进行多种励磁模式下的损耗测量,并对比实验结果与模型预测值。结果表明,在旋转复杂激励下,所提出的模型比传统的Steinmetz模型有更高的精度。     

Examination of Eddy Current between Steel Sheets without Insulation and a Criterion for Determining the Necessity of Insulation

In the laminated core of transformers, motors, and so on, each electrical steel sheet is usually insulated in order to reduce the eddy current loss. It has been reported that insulation is not necessary in such a laminated core under some conditions. However, few studies have been performed in the form of a quantitative and systematic examination of the relationship between the insulation and eddy current. In this study, the eddy current losses of a core made of SPCC (cold rolled steel sheets) of different widths with and without insulation under various conditions are analyzed using the finite element method (FEM) and with the contact resistance taken into consideration. The equivalent circuit of a laminated core without insulation is presented, and can be used for determining the necessity of insulation. It is shown that the increase in the eddy current is affected by the ratio of the resistance of the steel to the contact resistance. An experimental investigation is also carried out.