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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

考虑各向异性和模型参数应力依赖关系的改进Sablik-Jiles-Atherton磁滞模型

机械应力会显著改变取向电工钢片的磁滞特性。Sablik-Jiles-Atherton(S-J-A)磁滞模型由于计算简单、物理含义明确，被广泛用于模拟机械应力作用下的磁滞特性，然而此模型存在模拟精度低的问题。为此，该文在现有S-J-A磁滞模型的基础上，考虑取向电工钢片本身的各向异性和由机械应力引起的各向异性，实现对无磁滞磁化强度表达式的修正；在此基础上，根据机械应力对取向电工钢片磁畴排列模式的影响，引入无磁滞磁化强度形状系数和钉扎系数对机械应力的依赖关系，提出一种改进的S-J-A磁滞模型；最后，以30QG120型取向电工钢片为例，应用所提改进模型模拟了不同机械应力下的磁滞回线，通过与实验测量和现有模型进行对比，验证了所提改进模型的准确性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于二维磁特性测量的电工钢片矢量磁滞模型

提出一种模拟电工钢片复杂磁特性的矢量磁滞模型。该模型考虑频率、磁化历史等因素对磁滞特性的影响,模型中磁滞系数与磁阻系数的确定是基于双激励二维磁特性测量实验获得的,在实验中通过对磁通密度变化轨迹的控制实现对磁场强度波形的测量。所提出的模型既避免了传统磁滞模型数学表达的复杂性,又提高了模拟的准确度,更适用于工程应用。通过与传统模型及实验测量结果的比较,证明了所提出的模型能更有效、更准确地模拟电工钢片的复杂磁特性。     

500 kV电力变压器直流偏磁耐受性能的仿真研究

为了深入研究500 kV电力变压器的直流偏磁耐受性能,根据J-A磁滞回线理论,基于电路磁路模型建立了500 kV自耦变压器的直流偏磁仿真模型,通过改变J-A模型中的关键参数,仿真研究了矫顽力、剩磁和磁滞损耗等硅钢片磁化特性对500 kV变压器直流偏磁耐受性能的影响。仿真结果表明,变压器直流偏磁时,励磁电流出现畸变,有偶次谐波出现,励磁电流随直流分量的增大呈现不同的增幅。当磁滞回线的矫顽力增大时,励磁电流及其总谐波畸变率随外加直流分量的增幅变小。当剩磁和磁滞损耗增大时,励磁电流及其总谐波畸变率随外加直流分量的增幅加剧。研究结果可为大型变压器直流偏磁耐受能力评估及直流偏磁抑制措施提供理论依据和新思路,具有一定的实用价值。     

COMPUTATION OF THE QUASI-STATIONARY MAGNETIC FIELD IN STEEL LAMINATIONS IN PRESENCE OF HYSTERESIS

Abstract

This paper presents a method of computing the quasi—stationary magnetic field in steel laminations in presence of hysteresis. The related nonlinear diffusion equation is solved using the finite-element method based on Galerkin formulation. For the inclusion of hysteresis, B—H loops are simulated by Preisach theory. The computed results are compared with experimental results. A good correlation is obtained between the two results.     

计及谐波的J-A磁滞模型修正

J-A磁滞理论被广泛应用于电磁式电流互感器的磁特性建模,但是在谐波条件下该模型存在较大的误差。针对这一问题,文中对各次谐波分别修正经典J-A模型参数,利用遗传退火算法进行参数辨识,然后将各次谐波的磁特性进行线性叠加,实现非正弦激励下电流互感器的磁特性建模。采用该修正方法的前提是计量用电流互感器的非线性误差符合规定的0.2S级,因此对各次谐波磁滞回线的仿真分析与误差修正均近似适用于线性叠加原理。以采用纳米晶材料的0.2S级电流互感器为例,对角差与比差进行仿真分析与实验验证,结果表明经过参数修正的J-A模型改善了谐波条件下的测量准确度,多次谐波磁特性的近似线性叠加方法对测量准确度的影响可以忽略不计,从而确认计及谐波的J-A磁滞模型修正合理有效。     

基于Lorentzian函数的Preisach磁滞模型辨识与验证

磁滞作为磁性材料的特性,在电机、变压器等设备中普遍存在,为了更好地描述材料的这种特性,有必要建立材料的磁滞数学模型。本文基于Presiach类磁滞模型,通过分别用解析和神经网络两种方法对其Lorentzian分布函数参数进行了辨识并对两种方法进行了比较,且通过实验验证了辨识结果的正确性。模型可以对无偏磁下变压器一次电流进行预测,实验采用爱泼斯坦方圈的二次电压仿真得到了方圈的一次电流,仿真与实验结果对比验证了模型的正确性。     

复杂工况下的电磁性能测量技术

针对电工材料供应商提供的磁性材料中电磁性能数据与实际数据有较大差距的问题,提出基于双爱泼斯坦方圈的加权测量法对复杂工况条件下硅钢片（30Q120）的电磁性能进行测量,即测量等效磁路长度、激磁伏安和硅钢片比损耗在不同频率和不同取样角度下的变化曲线,从而使仿真建模所使用的磁化曲线和损耗曲线更接近硅钢片真实的运行状态,增强仿真计算有效性。通过实验验证了等效磁路长度和硅钢片比总损耗在不同环境温度下的变化趋势,且所获实验结果对实际变压器铁心设计和变压器铁心综合损耗系数评价也具有参考价值。