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电工钢片磁特性测量和模拟方法的研究

王晓燕  
【摘要】:电工钢片磁特性的精细模拟涉及三方面的研究内容,其一是磁特性的测量方法与特性数据的获取,其二是根据测量数据建立能够恰当描述其磁特性的数学模型,最后是如何将磁特性模型与电磁场数值计算方法相结合,用于电气设备的电磁场分析。研究的目的是要提高电气设备运行时复杂动态特性分析的计算精度,以此作为设备优化设计的基础,降低铁心损耗,减少局部过热,提高电气设备的效率与安全运行的可靠性。本文试图从电工钢片磁特性的测量方法入手,展开以上三方面的研究。 本文首先分析了两种一维磁特性测量方法,并指出这两种方法的不足之处,鉴于爱泼斯坦方圈法测试方法简单、应用广泛,本文将这种测量方法加以改进来考虑电工钢片的各向异性,并将实验数据应用于工程分析,说明了这种方法存在的问题和适用范围。 在一维磁特性测量与分析的基础上,本文对二维磁特性测量方法进行了研究,并设计了二维磁特性单片测量系统,以正弦磁场测量作为测试标准,实现了对测试系统的反馈控制,使其能够产生交变磁场和椭圆磁场,并测试了在这两种磁场条件下,取向钢30ZH120和无取向钢50A1300两种不同牌号电工钢片的磁特性。为了考虑电气设备运行时,铁磁材料所表现出的磁特性,提出了一种以正弦电压测量作为测试标准,在谐波磁场作用下,对电工钢片的磁特性进行测量的方法,并对取向钢30ZH120和无取向钢50A1300的磁特性进行了测试。 为了针对不同的实验条件所测得的实验数据,对电工钢片的磁特性进行模拟,考虑电工钢片的各向异性和动态磁滞特性,本文对几种磁特性模型进行了研究,结合测量数据,使磁特性模型能够方便快速地与有限元分析法耦合,提出了两种可以考虑各向异性和动态磁滞特性的矢量磁特性模型。一种是基于张量法来求解的考虑谐波磁场的ES模型,另一种是基于M-B法来求解的傅立叶模型。 结合张量法和M-B法,考虑材料的各向异性和动态磁滞特性,本文研究了与之相对应的有限元分析格式,并结合电气设备运行时电工钢片所表现的磁特性,给出了考虑谐波磁场的有限元分析的非线性迭代格式。针对制作变压器铁心和电机铁心所选用的材料不同,分别设计了两种铁心模型,并运用所提出的磁特性模拟方法进行了有限元分析。 设计并制作了一台单相变压器铁心模型,采用探针法对铁心的磁特性进行非破坏性测量,通过计算结果与实验结果的对比分析验证了本文提出方法的有效性。


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