基于Preisach磁滞模型的铁磁材料损耗时域有限元计算方法

根据损耗统计理论,铁磁性材料的损耗可分解为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。本文提出一种考虑铁磁材料磁滞特性和集肤效应对其涡流损耗影响的新方法。该方法基于矢量磁位A,耦合了Preisach磁滞模型与时域有限元方程来计算铁磁材料的磁滞损耗和涡流损耗,并采用固定点技术,引入微分磁阻率,加快了有限元方程解的收敛速度。同时,为了解决剩余损耗统计参数提取困难的问题,本文提出用有理函数来拟合剩余损耗统计参数以计算铁磁材料的剩余损耗。最后,对比了仿真结果与实验测量数据,结果显示该算法计算铁磁材料损耗的最大误差小于10%。     

基于定点谐波平衡法的铁心磁滞与损耗特性分析

利用叠片铁心模型进行正弦励磁和直流偏磁励磁下的实验,得到相应的磁滞回线和铁心损耗。在基于B-H-M的磁场本构关系中引入定点磁阻率νFP,解决了数值计算中传统磁阻率ν的不连续性问题。利用基于损耗函数的磁滞模型模拟无偏磁和有偏磁条件下铁心的磁滞效应。将定点技术与损耗函数磁滞模型相结合,并应用于谐波平衡有限元计算,在考虑磁滞效应的基础上,对绕组励磁电流和铁心内的非线性磁场进行计算。基于计算结果,得到了各种励磁条件下铁心内不同区域的磁滞特性和损耗特性,分析了不同励磁形式对铁心磁滞特性和损耗分布的影响。     

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。     

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。     

基于非线性复数磁导率模型的叠片铁心损耗计算

为实现频域计算中电力变压器损耗分布特性的快速计算,本文基于非线性复数磁导率模型,在保证计算精度的同时,提出了一种正弦稳态服役条件下叠片铁心损耗分布的快速计算方法。首先,基于磁滞回线面积等效原理,在考虑基本磁化曲线非线性特性的基础上,得到复数磁导率的实部与虚部;其次,为了验证本文所提出模型对变压器铁心损耗预测的有效性,耦合铁心叠片均匀化方法,建立了单相叠片铁心的频域有限元仿真模型,对变压器铁心中损耗与磁通密度分布进行计算;最后,制作了单相变压器铁心实验模型,搭建单相变压器铁心损耗实验平台,对本文所提出的方法有效性进行验证。结果表明,基于非线性复数磁导率叠片等效的变压器铁心损耗计算方法具有参数辨识过程简单、计算精度较高等特点,在变压器长期正弦稳态服役条件下的损耗计算与温升预测中具有一定应用前景。     

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。     

考虑次同步分量的变压器时间并行有限元及铁心动态损耗分析EI北大核心CSCD

针对串补电容或电力电子装置导致系统次同步振荡以及各类次同步振荡抑制器接入系统,使变压器运行在含次同步分量条件下,并引起铁心非对称偏置磁化,从而导致损耗增加的问题,该文提出一种考虑铁心损耗的场路耦合有限元时间并行计算方法。首先,基于定点法建立关于矢量磁位和电流密度的三维时变磁场有限元方程,并嵌入损耗分离理论,建立场路耦合有限元模型;其次,为实现大时间尺度周期问题的加速并行计算,并处理损耗瞬时值无意义的问题,提出基于Parareal的时间并行计算方案对模型进行求解;再次,对计算模型中多频率分量的计算周期确定、铁心损耗计算、定点磁阻率的选择以及初值选择提出方案;最后,利用一台物理变压器模型,验证了该计算模型的有效性以及算法的计算效率,并对比分析了变压器在额定基波及含次同步分量激励下的动态损耗特性。     

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。     

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。     

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.     

磁控高抗非线性电路磁路模型及频域算法研究

为细化提升磁控高抗复杂磁路特性的仿真精度,该文探索磁控高抗磁路设备偏磁和磁滞特性及其频域算法,将定点技术引入到非线性磁路模型当中,引入定点磁阻理论克服考虑磁滞效应时非线性铁心磁阻的不连续性。基于定点谐波平衡法建立磁控高抗电路–磁路频域耦合方程,通过对该方对该方程右端类磁动势M进行迭代计算,得到磁控高抗绕组励磁电流与铁心柱的磁通,实现对磁控高抗铁心磁滞特性的模拟。对不同结构的磁控高抗进行直流偏磁实验,通过励磁电流计算结果与测量结果的比较,验证该方法的准确性与有效性。该算法可以将各次谐波解耦并实现非线性方程的快速有效求解,有利于大规模非线性电路、磁路问题中实现谐波分解后的并行计算。     

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。     

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。     

定点谐波平衡有限元法与叠片铁心直流偏磁磁化特性研究

直流偏磁磁化曲线的非对称性导致传统谐波平衡有限元法中磁阻率的不连续.定点技术基于B-H-M的磁场本构关系,将磁场强度分为线性和非线性两部分,克服了磁阻率不连续的问题.将定点技术引入到谐波平衡有限元法中,基于直流偏磁磁化曲线计算励磁电流和叠片铁心内的磁场.通过适当选择定点磁阻率的值,加快谐波解的迭代收敛速度.基于直流偏磁磁化曲线和无偏磁磁化曲线对变压器叠片铁心模型进行有限元分析,计算结果表明,直流偏磁引起的铁磁材料磁化特性的改变会对励磁电流、磁场等产生影响.     

不同励磁方式双通道开关磁阻电机的电磁性能分析

在分析了单极性不对称励磁方式时双通道开关磁阻电机的不同通道间相邻相互感作用的基础上,提出了双极性增磁和双极性弱磁两种新的双通道开关磁阻电机励磁方法,并介绍了其基本原理。基于场路耦合有限元模型分析了单极性不对称励磁、双极性增磁和双极性弱磁三种不同励磁方式时双通道开关磁阻电机的磁场特性,对比了三种不同励磁方式时双通道开关磁阻电机的电流,转矩,铜耗等电磁性能,并通过双频法分离铁心损耗获得三种励磁方式时电机铁心的涡流损耗和磁滞损耗,由此得到了三种励磁方式时双通道开关磁阻电机的电磁性能。     

双定子直线感应电机饱和特性分析

基于电磁场理论,提出一种双定子直线感应电机电感饱和特性的理论计算方法。该方法利用简化的多折线来近似实际的铁心磁化曲线,基于该简化磁化曲线,利用磁路法计算了电机的铁心磁阻及气隙磁阻,并将铁心磁阻折算到气隙磁阻中,推导出一种计及铁心磁阻的电机等效饱和气隙表达式,利用该式可方便的计算出电机饱和电感。另外,该文将三维有限元计算和理论解析计算相结合,有效的计及了电机端部线圈对饱和的影响。最后,建立了双定子直线感应电机的耦合饱和模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

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。