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《河北工业大学》 2016年
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电工软磁材料三维磁特性测量及耦合磁滞和各向异性的电磁有限元模拟

张长庚  
【摘要】:电机和电力变压器是国民经济中最重要的电力设备,其中电机耗电占全国电力消耗的64%;对于电力变压器,即使在空载状态下,铁心损耗也较大。电力设备的电能利用率尚有提高空间,节能潜力巨大。制约铁心磁路优化设计和效率计算的关键技术问题之一是电工钢片铁心材料精细模拟技术。本文在国家自然基金重点项目“电工磁性材料的三维磁特性检测技术和张量磁滞模型的研究”的支持下,针对电工钢片损耗测量和精细模拟的问题,对电工钢片三维磁特性测试和模拟的关键技术进行了研究,包括磁测量励磁结构、传感系统的优化设计、磁反馈技术和硅钢片的精细建模。主要涵盖了动态磁滞模型、矢量磁滞模型和各向异性模型的数学建模、模型参数辨识、模型的验证、工程问题的模拟等基础理论和技术方案,研究的重点内容及取得的主要成果如下:(1)三维磁特性励磁磁路和测磁传感结构的仿真研究,设计多硅钢叠片多涡流区域的仿真算法,比较了三维田字型和三维C型的磁特性装置的励磁结构,前者缺陷是在叠片铁心搭接处存在磁通穿过硅钢片法向平面,易形成硅钢叠片局部过热,后者克服了这一缺陷实现了三个励磁方向磁路的对称。另一方面,优化设计了磁密和磁场强度传感线圈的尺寸和位置。(2)建立三维磁特性测量系统的动态模型,实验辨识了模型参数,从而提出了基于频域的三维磁特性反馈控制算法,实现了系统中各个励磁轴的解耦,提高了磁特性测量实验的可重复性。由于软磁材料的磁滞和磁饱和现象,三维测量系统受到谐波干扰,通过反馈方法注入特定频率的谐波,补偿并削弱测量系统的谐波含量,提高损耗测量的精度。(3)建立了一种电工软磁材料的动态逆Preisach磁滞模型,准确描述了电工钢片的宽频(20Hz~1kHz)磁滞回线族。其优点是易于与基于磁矢位的电磁场有限元方法耦合。建立了旋转瞬态损耗模型,实现任意轨迹下磁滞损耗的预测,该模型能够描述当旋转磁密接近于饱和时损耗下降的物理现象。磁滞模型与电磁场有限元的耦合,直接应用于电磁装置的仿真设计和分析,为新型电磁装置的设计提供精确的工具。(4)提出了一种基于磁能的磁各向异性模型,该模型优点是描述取向电工钢片最难磁化轴即与轧制方向55°夹角方向。该模型由有限元数值实现,并与多种磁各向异性模型比较。为了对该模型进行系统验证实验,建立了标准化三柱铁心模型。实验结果与多种仿真模型比较验证了模型的有效性。本文以电机和电力变压器装备的节能降耗为研究背景,在实验技术上,建立了新型的三维磁特性测试系统,提出了三维磁特性测量的频域反馈控制方法,实现了电工钢片三维空间旋转损耗的综合自动化测试。论文对三维磁特性测量的研究,为磁性材料精细建模奠定实验基础,为新型电工软磁材料的研发和产品质量控制提供新的损耗评价体系。在理论上,建立了动态逆Preisach模型和基于磁能的磁各向异性模型,实现了动态磁滞损耗、矢量旋转磁损耗和磁各向异性磁化轨迹更精确的预测等。论文对三维磁特性测量和建模的研究为高效电机和电力电压器等电磁装置的设计提供更精确的有限元模拟工具。
【学位授予单位】:河北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM271.2

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