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交变磁通下各向异性电工钢片磁特性模拟

徐春苗  
【摘要】: 本文的研究受到国家自然科学基金项目“计算电磁学中电工钢片及其组合结构综合电磁特性的精细模拟(基金号:50777042)”和“铁磁材料三维磁滞特性的测量与模拟”(基金号:50807039)的资助。 近几年,国际电磁场计算的三大热点问题是:耦合问题,优化问题和材料模拟问题。考虑电工钢片复杂磁特性的磁场计算是材料模拟这一研究方向中的主要问题。电工钢片(也称硅钢片)广泛用作各类电机、变压器的铁心材料以构成主磁路,其复杂磁特性的精确模拟关系到电工产品的节能降耗和优化设计,是当前计算电磁学研究的热点问题之一。针对各向异性电工钢片磁特性模拟问题,本文做了以下方面的研究工作: 首先,在总结了当前电工钢片磁特性模拟技术的研究现状的基础上,分析了不同模拟方法采用的数学模型的优缺点,从工程应用实际出发研究了在交变磁通下电工钢片磁特性模拟的磁阻率张量模型。为了便于将磁阻率张量模型与有限元计算相耦合, 本文通过公式推导对模型进行了简化处理。与传统各向异性模型不同,该模型中磁阻率被表达为磁场强度模值H、方向角θH和磁通密度模值B、方向角θB的函数。其次,利用电工钢片二维磁特性测量系统,获得了磁特性模拟所需的实验数据。为了保证非线性有限元计算的收敛性,利用B-Spline函数实现了测量数据的H=f(B,θB),θH=f(B,θB)曲面拟合。为了解决实验中无法进行高强度值磁通密度的测量问题,本文在最大测量点和饱和点之间用外插函数进行了曲线拟合。 最后,推导了耦合磁阻率张量模型的有限元分析公式,给出了非线性有限元牛顿拉夫逊法求解的具体过程,编制了相应的FORTRAN程序。通过对单相变压器铁心模型进行有限元分析,证明了磁阻率张量模型及耦合该模型有限元分析的有效性。


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