温度与应力耦合作用下电工钢片复杂磁特性检测和模拟方法研究

A novel complex magnetic properties measurement method of electrical steel sheet is proposed so that the coupling effect of temperature and stress can be taken into account under the complex excitation and physical factors condition in this project. To prevent the destructive testing and keep invariance of magnetic properties, a needle probe method is introduced in this project to measure the B signal. This method can replace the conventional B-coil method to improve the measurement accuracy and simplify the preparation of sample. In order to ameliorate the measurement reliability, double H-coil method is introduced. This method can measurement H signal on the surface of sample without contract. To obtain the measurement data of complex magnetic properties under the effect of temperature and stress, a ceramic foil heater is applied firstly to heat the local measurement region of sample and a linear actuator is adopted to accomplish the loading of stress on the sample. By utilizing the measurement data and according to the physical mechanism of the dynamic of magnetic domain in sample, a comprehensive mathematical model is built to express the accurate magnetic properties. The parameter identification problem of the proposed model is transformed to global optimization problem, the model parameter set can be solved by subdivision-based PSO algorithm. It is expected that the rule of complex magnetic properties of electrical steel sheet can be revealed according to the research results. Furthermore, the research will lay the groundwork of model of electrical steel sheet magnetic properties for the future research on magnetic-thermal-stress coupling principle of electrical equipment.

本课题针对复杂磁场以及多物理因素耦合作用条件，提出一种能够同时考虑温度与应力影响的电工钢片综合磁特性测量新方法。为保持样片的完整性以及磁场物理量的不变性，提出探针法实现磁场B信号的测量。摒弃传统打孔绕线法，有效地提高了测量精度，简化了样片准备难度。为提高检测可靠性，引入双H线圈法检测H信号，实现非接触式测量。课题首次提出一种采用陶瓷加热片实现样片局部测量区域的温度加载、采用电动推杆实现预应力加载的新方法，解决了目前在温度与应力耦合作用条件下无法获取复杂磁特性测量数据的难题。利用检测数据，基于磁畴运动物理机理，建立复杂工况下电工钢片磁特性的综合模型。将模型的多参数辨识问题转化为优化问题，利用基于空间分割技术的粒子群优化算法，提高参数辨识精度。研究成果有望揭示非标准工况下电工钢片电磁特性的演化规律，为电工装备内部磁-热-应力多物理场耦合分析研究提供电工钢片材料特性的较为完备的数学模型基础。

针对现代电工装备多物理场耦合仿真分析中缺乏多物理因素耦合作用下材料物性参数以及相应的先进材料模型的问题，本课题聚焦电机、变压器类电工产品中广泛使用的电工钢片材料，开展温度和应力耦合作用下的电工钢片多工况、复杂磁特性的测试和模拟方法研究。.本课题的科学意义在于：提出了一套综合性的针对电工钢片类电工磁性材料多物理场耦合作用下的复杂磁特性测试和模拟新方法，为现代电工装备的多物理场耦合分析奠定了材料模型基础。.本项目的主要内容包括：.1..针对高频非正弦激励下，电工钢片类材料磁特性难以准确模拟的问题，结合JA磁滞模型，一阶回转曲线模型以及改进的粘滞模型，提出了一种综合的宽频动态磁滞模型，提高了复杂激励下的电工钢片磁特性的模拟精度。.2..针对传统磁滞模型无法计及温度对材料磁特性的影响，提出了基于JA模型的变参数温度依赖磁滞模型，为磁-热耦合多物理场提供了先进的材料模型。.3..针对目前缺乏多物理因素、多工况条件下电工钢片类材料磁特性的测量数据的问题，提出了一套综合的电工钢片复杂磁特性测试新方法。.4..以大量的复杂磁特性测试数据为依托，提出了基于改进BP神经网络的先进电工钢片材料特性数学模型。.本课题研究取得的成果为现代电工装备磁-热-力多物理场耦合分析的研究提供电工钢片类材料完备的磁特性数学模型基础，也对促进我国高端、优质电工装备的设计制造提供重要的理论与技术支撑，具有重大的科学意义和广泛的应用前景。.同时，依托该项目的研究工作，培养硕士8名，在国际学术期刊、国际会议发表论文8篇，被SCI收录3篇，被EI收录1篇，申请国家发明专利1项。