硅钢叠片在宽频三轴正交激磁条件下的磁特性模拟方法研究

针对硅钢叠片的工作磁通频率高于工频时磁特性计算不准确的问题,开展了宽频(20Hz~1k Hz)激磁条件下的磁特性测量和建模。建立了硅钢叠片的线性涡流场解析模型,该模型在低磁场激励下有效预测硅钢片宽频磁特性;在高磁场激励下,提出一种考虑多涡流域和非线性的瞬态电磁有限元方法。该方法模拟了二维硅钢片材料,隔离了叠片铁心二维平面内多个涡流区域,计算了硅钢叠片的宽频磁化曲线。最后,利用三轴正交磁特性测量装置对硅钢叠片进行综合磁特实验。比较实验结果与数值模拟结果验证算法的有效性。     

考虑谐波及集肤效应的电工钢片旋转异常损耗计算与测量

为了准确计算电工钢片的旋转异常损耗,根据谐波分析原理对建立的电工钢叠片有限元模型进行时步有限元仿真;基于旋转铁心损耗计算模型,通过考虑涡流集肤效应对旋转损耗系数的影响结合钢片在中低频率下的损耗测试获得叠片损耗计算的关键系数,间接求得电工钢片中旋转异常损耗的计算式。利用构建的新型三维磁特性测试系统对典型电工钢叠片样品进行椭圆形旋转与交变励磁方式下的宽频铁耗实验测量,并定量地进行了对比与分析。结果表明:2种励磁方式下叠片损耗的变化规律相类似,但其椭圆形旋转各损耗都要比交变时的对应损耗大,必须认真考虑谐波、集肤效应和旋转励磁等对材料特性的影响;所计算出的旋转异常损耗也是相对较小,在1 k Hz时也未占到旋转总铁耗的5%。从而验证了所推导出的计算式和测量手段的正确性与可行性。     

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。     

基于一种硅钢片矢量磁特性复数模型的三相变压器铁心磁场分析

本文采用二维单片测量装置测量了取向硅钢在交变磁化与旋转磁化条件下的二维矢量磁特性。基于该测试数据,对一种能够考虑硅钢片二维矢量磁特性的复数ES模型的准确性进行了验证。将该模型与有限元分析相结合,实现了对1台三相变压器的铁心模型进行磁场分析,通过对比局部磁场测量结果与损耗测量结果,证明了计算方法的准确性与工程适用性。     

基于J-A模型的电工钢片磁致伸缩特性模拟与实验

电工钢片的磁致伸缩现象是引起电机、变压器铁心振动的一个重要原因。磁致伸缩特性与铁心的磁化方式密切相关。电机定子铁心存在大量旋转磁场,相比于交变磁化,旋转磁化会引起更大的磁致伸缩应变,准确模拟旋转磁化下电工钢片的磁致伸缩特性是实现电工产品性能优化的前提和基础。该文借鉴Jiles-Atherton(J-A)磁滞模型对磁化过程中磁畴畴壁移动和磁矩转动而产生滞后行为的表征方法,提出一种能够描述旋转磁化下磁致伸缩正应变和剪切应变矢量、滞后特性的磁致伸缩模型。基于电工钢片旋转磁特性测量系统提供的特性数据,采用粒子群优化算法实现了模型参数辨识,并验证了模型的准确性。制作并搭建硅钢叠片铁心局部磁致伸缩特性测量系统,给出了所提磁致伸缩模型计算铁心磁致伸缩形变的具体过程,通过与测量结果的比较,进一步分析了所提理论模型的有效性。研究表明,旋转磁化下电工钢片磁致伸缩具有滞后行为,该文从磁化机理角度提出的磁致伸缩模型可以有效地表征这种特性。     

电工硅钢材料二维磁特性研究及测量技术相关进展

取向硅钢因其具有优异的磁特性常应用于变压器铁心。在实际变压器运行工况下,铁心中的局部磁场同时包含交变磁场和旋转磁场,而传统的一维磁特性测量法只能测量电工钢片在交变磁场激励下的磁特性,不能体现旋转磁场下磁性材料的二维磁特性。忽略旋转磁场对硅钢片和铁心性能的影响,会给电气设备分析设计和能耗估算带来较大误差。本文简要阐述了电工钢片二维磁特性测量原理,详细介绍了包括转矩磁力计、十字叠片测量装置、Brix方形单片测量仪、六角旋转测量仪和垂直旋转单片测量仪等典型的二维磁特性测量平台及其优缺点,概述了二维磁特性测量系统主要构成要素及运行原理。在此基础上,提出了目前二维磁特性测量领域在测量平台设计和励磁波形反馈控制过程中存在的问题和改进的方向。     

基于矢量磁滞算子的软磁复合材料旋转磁滞特性模拟分析（英文）

介绍一种考虑软磁复合材料的磁各向异性特征,并且能够准确描述磁性材料微观磁特性的矢量磁滞算子,并且基于"磁化稳定状态能量处于极小值"的原理,建立能够确定单个矢量磁滞算子稳定磁化状态的八角星形线法则。同时引入高斯-高斯二维分布函数和Weiss理论中相互作用场的概念,确定磁性材料的宏观磁特性为材料内部所有矢量磁滞算子磁特性的加权和,建立能够反映磁性材料矢量磁特性的旋转磁滞模型,实现软磁复合材料的旋转磁特性精确数值模拟。借助三维磁性材料磁特性测量装置对电工磁性材料的真实磁特性进行了全面测量和分析。最后通过与实验测量结果对比,验证矢量磁滞模型的有效性和准确性。     

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。     

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。     

基于直流偏磁实验的叠片铁心磁化特性分析

铁心中直流磁通的预测是研究变压器直流偏磁问题的关键.本文提出基于损耗函数的改进迭代法,在考虑磁滞效应的同时对基本磁化曲线进行修正,计算叠片铁心内的直流磁通.通过比较励磁电流的测量值与计算值,验证了该方法的有效性和正确性.获得了直流偏磁条件下叠片铁心的磁滞回线和基本磁化曲线,对有无直流偏磁条件下的基本磁化曲线进行了比较....     

基于定子永磁拓扑的混合式步进电机二维等效模型构建方法

齿层比磁导法和三维有限元法是目前分析混合式步进电机的主要方法。然而,齿层比磁导法难以考虑铁心叠片间绝缘层磁阻对永磁磁场轴向非均匀分布的影响、计算精度较差,三维有限元法计算过程复杂、耗时较长,为此提出一种基于定子永磁拓扑的二维等效模型构建方法及其二维有限元分析。该方法通过电机结构等效变换和轴向分段将混合式步进电机转子永磁三维模型等效变换为定子永磁二维模型,并采用对三维模型、二维模型分别进行一次空载有限元静态仿真的方法确定二维等效模型参数,能够考虑永磁磁场轴向非均匀分布的特性,具有模型建立简便、计算精度高、耗时少的优点。通过三维有限元仿真验证了该方法的可行性和准确性。     

基于模拟退火改进PSO算法的J-A磁滞模型参数辨识

本文作者提出了一种基于模拟退火改进PSO算法,将模拟退火算法和PSO算法融合,利用模拟退火算法的全局搜索能力与PSO算法的快速收敛性能,可实现磁滞模型参数的快速、精确辨识。J-A磁滞模型参数辨识的仿真验证了所提混合算法对于磁滞曲线的拟合程度、辨识所得参数精度均更高,且不易于陷入局部最优解。同时,通过引入铁心在交变磁场中产生的损耗部分,建立了动态J-A磁滞模型以评估动态损耗对磁内能的影响,验证了所提出算法在考虑涡流损耗和异常损耗因素下工程应用中参数辨识的快速性与有效性。     

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.     

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。     

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。     

一种考虑铁心磁滞特性的CVT电压补偿算法

针对CVT铁心磁滞饱和特性影响其测量准确度的问题,通过对CVT模型进行分析,发现CVT测量误差主要来自励磁电流非正弦分量引起的电容器和调节电抗器的压降。提出一种考虑铁心磁滞特性的CVT二次电压补偿算法。该算法考虑了铁心磁滞特性的影响,通过计算出CVT中分压电容器和电抗器的压降,并将其补偿到二次电压测量值来获得一次侧电压的准确值。仿真结果验证了该算法的可行性,证明该算法在稳态和故障时均能减小CVT的测量误差,明显提高CVT电压测量准确性。此外,该算法计算量较小,过程较简单,有利于提高计量或继电保护器设备的工作效率。     

考虑力–磁耦合效应的无取向电工钢片磁致伸缩模型的改进

硅钢铁心结构的振动噪声成为制约电工装备节能化发展的瓶颈问题。采用夹紧措施可抑制铁心振动,但夹紧力会改变铁心磁性能,且施加不当可导致铁心振动加剧甚至损坏,原因为应力使硅钢材料磁畴产生旋转和壁移,引起磁致伸缩饱和,造成振动加剧。因此,为了实现硅钢铁心应力加载问题的准确预测,需建立基于应力下饱和磁畴壁移效应的电工钢片磁致伸缩模型。首先,该文提出基于力–磁耦合效应的磁致伸缩改进模型,并通过耦合Weiss分子场、退磁系数和钉扎效应参数考虑磁致伸缩的滞回特性;然后,测量无取向电工钢片的磁滞和磁致伸缩回线,提取控制饱和磁畴壁移的磁场和形变等模型参数;最后,编程实现模型的仿真,通过对比仿真及实验的磁致伸缩应变曲线,验证模型的准确性。     

无取向电工钢片旋转磁致伸缩的动态测量与分析（英文）

无取向电工钢片旋转磁致伸缩的准确测量对减小电机铁心的振动研究具有重要意义。本文利用二维磁特性装置和玫花型电阻应变计开发了一台用于研究电工钢片旋转磁致伸缩特性的实验测试系统。讨论了应变计在样片尺寸及其粘贴位置的变化对测量结果的影响,分析了一个磁化周期内旋转磁致伸缩的动态特性,仿真计算了一台同步发电机铁心的磁致伸缩变形。研究表明,电工钢片旋转磁致伸缩特性大于交变磁化引起的磁致伸缩,而旋转磁化轨迹决定了旋转磁致伸缩的特性。     

计及异常涡流损耗机制的叠层铁心三维涡流场分析

电机和变压器运行过程中,叠层铁心中会产生涡流,为了实现设备性能精确预测,对涡流所产生的去磁效应和损耗尤其是异常涡流损耗必须进行有效计算。但是,现有的基于磁畴及畴壁运动模型或磁滞模型的涡流场计算方法存在过于复杂、难以融入数值计算等局限性。该文在异常涡流损耗因子概念基础上,并结合前期研究工作成果,提出叠层铁心各向异性等效电导率修正模型,并通过叠层铁心涡流场理论分析及总涡流损耗关系式推导和比较,证明所提出等效电导率修正模型的合理性。通过制作典型的取向硅钢片卷铁心模型,并以此为研究对象进行实验测量及三维有限元涡流场计算,揭示实际铁心涡流去磁效应远超过仅考虑存在经典涡流的传统涡流场计算方法预测结果,通过比较各种励磁条件下的磁密和铁耗测量值与计算值,进一步验证该文提出的等效电导率修正模型及相关涡流场分析方法的可行性和有效性。     

考虑磁滞特性变压器PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真建模方法及励磁差异性分析

为了研究高压直流输电中励磁涌流问题,该文结合ATP-EMTP电磁暂态仿真软件中描述铁心铁磁材料磁滞特性的非线性电感Type96以及BCTRAN共同建立考虑磁滞特性变压器模型思想,提出一种考虑磁滞特性变压器PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真新模型。该模型在经典模型的基础上增加了考虑磁滞特性的励磁支路,利用试验获得的最大磁滞回线数据便可有效地反映变压器的磁滞特性,验证表明该模型能很好地反映变压器磁滞特性,且因参数易得,便于用户在PSCAD/EMTDC中仿真使用。同时也仿真研究利用磁滞回线和磁滞中线模拟变压器励磁特性的差异性,得出采用磁滞中线代替磁滞回线来模拟变压器铁心励磁特性在励磁涌流峰值上具有一致性,但磁滞回线对涌流稳态过程特别是谐波特性有较大影响。