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。     

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。     

全局优化算法在Preisach磁滞模型参数辨识问题中的应用与性能对比

Preisach模型参数的快速辨识对实现考虑磁滞特性的电工装备有限元计算具有重要意义.该文结合显式Everett函数Preisach磁滞模型,提出一种基于改进速度可控粒子群算法的Preisach模型参数辨识方法,并对比分析全局优化算法在该问题应用的效率问题.首先,为了解决传统离散型Preisach模型因存储庞大Everett矩阵造成的计算效率低下问题,构建Everett函数的参数化显式表达式;其次,提出一种基于改进速度可控粒子群算法的Preisach模型参数辨识方法,并基于测量的硅钢片准静态磁滞回线,实现模型的参数辨识;最后,对比分析模拟退火算法、遗传算法与该文所提算法在模型迭代次数与计算时间、磁滞回线模拟准确度、参数辨识成功率三个方面的应用效率.结果表明,该文所提出的改进速度可控粒子群算法在Preisach模型辨识上同时兼具辨识精度高、收敛速度快、成功率高的特点.     

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。     

基于极限磁滞回线法的软磁复合材料磁特性模拟

软磁复合材料由于其磁各向异性、低损耗、易加工、成本低等优点,在含有三维磁路结构的电磁设备(如球形电机、爪极电机、横向磁通电机等)中具有巨大的应用潜力,因此在电气工程领域引起了广泛关注。为准确模拟软磁复合材料在复杂磁化条件下的磁特性,本文提出基于Preisach磁滞模型的极限磁滞回线法。该方法通过Preisach平面几何描述和分离分布函数变量解决经典Preisach模型中分布函数难以确定的问题,只需要极限磁滞回线的数据就能够模拟包括主磁滞回线和多阶回转曲线在内的多种磁特性。根据模拟得到的不同压力作用下的一阶回转曲线族求出不同压力下所对应的分布函数,同时引入包含压力在内的分布函数表达式,使其能够考虑压力变化对材料磁特性的影响。最后通过与实验结果对比,验证极限磁滞回线法的有效性和正确性。     

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PSO-Powell混合算法的软磁复合材料二维矢量磁滞特性模拟

针对经典矢量Preisach模型仅能模拟各向同性磁滞特性的缺陷,提出改进的矢量磁滞模型.通过引入幅值与方向角的关联参数改善磁场强度的曲线形态,使模型能够考虑软磁材料的各向异性特征.利用矢量磁特性实验平台对软磁复合材料(SMC)在二维旋转磁化激励下的磁特性进行测量,根据测量的极限磁滞回线,分别构造标量和矢量Everett函数.提出基于粒子群(PSO)和Powell方向加速的组合优化策略,显著改善PSO的局部寻优能力,提高计算效率和精度,进而实现矢量Preisach磁滞模型的高效参数辨识.矢量磁滞特性的仿真结果与测量结果相吻合,验证了该文所提改进矢量磁滞模型及其参数辨识方法的有效性.     

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Levenberg-Marquardt算法的改进Preisach模型磁特性模拟与验证

由于磁测量数据共享机制尚未建立,磁滞建模所依赖的材料特性大数据库不够完备,因此一种抛开磁滞微观物理本质的唯象建模研究引起了关注。文中首先在Preisach模型的基础上,采用cosh分布函数,为兼顾磁滞功能和数值实现效率,引入Everett函数建立磁滞特性解析表达式。然后将磁滞模型分析结果与电机常用硅钢片50WW600材料测量值之间的均方根误差做为适应度函数,通过Levenberg-Marquardt算法辨识Preisach模型参数。最后将不同工况下磁滞回线实际测量值与磁滞模型计算结果进行对比分析,验证该文模型的准确性和有效性,为电机电器的有限元精细分析奠定了一定理论基础。     

两种简化Preisach模型静态特性的对比分析及评估

简化Preisach模型以其精度高、运算速度快的优点而被广泛运用于电力设备的磁滞及损耗特性模拟。本文针对现有两种不同的简化Preisach模型,分别从磁滞回线模拟精度、损耗求解精度、计算速度三方面对其进行了对比分析与综合评价。通过实验及仿真表明,Ragusa提出的简化Preisach模型(模型1)在考虑可逆磁化分量后(模型1认为磁化过程分为可逆磁化与不可逆磁化两部分),其在低磁密下的磁滞回线模拟有一定的改善,但高磁密下无明显改善,而损耗计算的全局平均误差则由12. 34%下降至9. 57%。考虑可逆磁化分量的模型1比Naidu提出的简化Preisach模型(模型2)在磁滞回线模拟精度上略有提高,而在损耗计算精度上,模型1与模型2的全局平均误差分别为9. 57%、7. 81%。在求解速度上,模型1由于包含复杂的积分而明显慢于模型2。因此综合考虑,建议在磁性材料的磁滞及损耗特性模拟等方面选用模型2。     

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Preisach磁滞模型的分布函数辨识与实验验证

基于Preisach磁滞模型,根据磁滞回线的对称性,提出辨识Preisach分布函数的方法,该方法把Preisach分布函数视为两个一维函数的乘积,将分布函数中复杂的双重积分求解问题转化为求解双线性方程组的问题。并基于爱泼斯坦方圈测量装置对变压器、电机中常用材料(B30P105)进行了相应的实验,仿真及实验结果的比对验证了该方法的可行性和实用性。     

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。     

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。     

强磁场永磁机构组装过程的动态有限元分析

提出一种外磁场按任意规律变化时,永磁材料特性的数值模拟方法。该方法将Preisach磁滞模型和有限元法相结合,完成对强磁场永磁机构装配过程的动态磁场分析。所提出的方法将永磁材料包括局部回线在内的磁滞特性包含到数学模型中,在合理的假设下,考虑了计及磁滞效应的"旋转磁化"。该方法只需要利用永磁材料的极限磁滞回线即可完成分析计算,避免了采用大量实验统计方法确定传统Preisach磁滞模型的分布函数。通过与传统简化计算方法(电流片等效法)和实验结果的比较,证明了所提方法的有效性。     

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R-L型分数阶导数的动态解析逆Preisach模型

准确的变压器电磁暂态模型对保障电力变压器安全意义重大，其中更为重要的是对变压器铁芯部分的建模。然而，变压器铁芯的非线性磁滞特性及动态特性的模拟仍存在不精确，误差大等问题。为此，首先通过差分法改进静态解析正Preisach模型，构造一种更利于动态模型建立的静态解析逆Preisach模型；然后，在损耗统计理论、场分离技术以及分数阶导数理论的基础上，改进动态涡流场强分量，并与静态解析逆Preisach模型以及剩余损耗分量相结合，得到改进的动态解析逆Preisach磁滞模型，同时引入量子遗传算法对分数阶导数参数进行全局寻优。最后，将准确的动态解析逆Preisach模型在不同频率与不同最大磁密下与实验数据对比，结果表明，该模型的最大平均相对误差为5.857%，验证了该方法的有效性。     

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。