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《河北工业大学》 2016年
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电工软磁材料中异常损耗的特性模拟与拓展研究

李劲松  
【摘要】:作为直接影响电力变压器、电机等电工设备电气性能的铁心部件的最关键部分,电工软磁材料在电气工程领域应用广泛。提高电工设备工作性能和效率的最有效途径是解决其内部铁心材料的损耗问题,这也是国际电工领域的前沿、热点和难点问题。本文按照国家自然科学基金重点项目的任务要求,针对工程中广泛应用的电工软磁材料建立铁心总损耗及其组分异常损耗(交变与旋转激磁条件下)的理论计算模型,考虑多种工况条件(如高频与高次谐波、高磁密与非正弦激磁等)对模型进行研究与分析,基于铁心总损耗实验数据和分离新方法实现对典型电工软磁材料的异常损耗特性更为准确地模拟与验证,并根据研究过程中所遇到的一些特定问题(如涡流损耗及集肤效应等)进行了拓展性研究。本文的研究将为电工软磁材料损耗特性数据库的建立提供强有力的参考,损耗实验测量与分离新技术亦可进一步推动电工软磁材料二维(2-D)和三维(3-D)磁特性检测的研究与发展。主要研究内容如下:1、基于阻尼振动原理,模拟与分析了电工软磁材料在中低频率下的微观畴壁运动过程及其损耗;在高频时,通过耦合朗道-栗弗席兹-吉尔伯特(LLG)方程和麦克斯韦(Maxwell)电磁场扩散方程,结合经典涡流损耗计算,建立了电工软磁材料中铁心总损耗的计算模型,并给出了详细的宏观物理解释。2、通过电工钢片的交变铁心损耗出厂原始数据,结合3-D磁特性测试系统实测电工钢片和软磁复合材料(SMCs)的交变与旋转激磁宽频铁心总损耗数据,对比与分析了电工软磁材料的铁心总损耗计算模型;在误差可接受的范围内分离了平均微观涡旋电流损耗,所得的单纯异常损耗用于对其损耗系数的特性研究与预测。3、基于畴壁运动及动态损耗产生与分离的微观物理机理,建立了电工软磁材料中异常损耗的统计学计算模型;结合电工钢片的交变实验铁心总损耗及分离所得异常损耗,提出了试验确定模型中微观统计特性参数的方法;通过对比与分析电工钢片交变与3-D旋转异常损耗的分离值与预测值,验证了计算模型的有效性。4、根据谐波分析原理对电工钢有限元叠片模型进行了时步仿真;考虑集肤效应对旋转损耗系数的影响结合中低频率下的椭圆形旋转实验铁心损耗,间接求得电工钢片中旋转异常损耗的计算式;对比与分析了叠片样品的旋转与交变宽频铁心总损耗及其各组分,结果表明必须认真考虑谐波、集肤效应和旋转激磁对材料特性的影响。5、采用时步有限元法模拟了SMCs块材的3-D旋转谐波铁心损耗;确定了考虑集肤效应时的旋转损耗系数,建立了旋转异常损耗的变损耗系数和间接正交分解计算模型;通过3-D旋转实验铁心总损耗分离,定性地对比与分析了三种计算方式下的旋转异常损耗,结果表明两种新模型可以更为有效地展现异常损耗特性。6、提出了一种高频高磁密时考虑频率和磁密对损耗系数影响的改进铁心损耗计算式;基于电工钢片的交变铁心损耗出厂原始数据以及宽频实测铁心损耗,利用改进计算式研究了集肤效应和动态磁滞回线对损耗系数的影响;绘制了新的铁心损耗曲线,对比结果表明采用改进计算式可显著提高计算精度,验证了其正确性与可行性。7、基于Maxwell电磁场理论,分析了电工钢片在交变激磁条件下的集肤效应;通过对电磁场扩散方程进行无量纲化处理,分别计算了考虑和非考虑集肤效应时的交变涡流损耗;通过分离电工钢片的宽频旋转实验铁心总损耗,揭示了旋转激磁时的集肤效应突现;提出了简化的磁本构方程并引入到电磁场扩散方程,建立了考虑集肤效应时的旋转涡流损耗近似计算表达式。
【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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