电工磁性材料三维磁特性检测技术和张量磁滞模型的研究

To improve the performance, operational efficiency and reduce energy consumption of the power transformers, motors and other electrical equipments, the most effective approach is solving the problems about accurate measurement and modeling of the three-dimensional magnetic properties of the magnetic core materials, which is also the cutting-edge and hotspot issue in the field of international electrical engineering. However, there aren't uniform standards for the electromagnetic properties testing methods of the magnetic materials, and the experimental data of magnetic properties modeling are not sufficient, which restricts the application and promotion of the material modeling technology. In China, modeling of the 3-D magnetic properties of the electromagnetic materials is still at the initial stage, and the earlier industry standard is still used in magnetic properties measurement. Therefore, the material modeling studies are limited to one-dimensional category. Comprehensive study for the complicated magnetic properties measurement and modeling of the electromagnetic materials is focused in this project. A method of three-dimensional rotating magnetic properties measurement is proposed for laminated silicon steel material and bulk SMC material, which breaks through limitations of the one and two dimensional methods. Combined with the practical engineering, accurate and comprehensive description of the electromagnetic materials magnetization process in the engineering applications is presented, and the tensor hysteresis model and the core loss model considering rotating field are built. Achievements of this project will make a substantial contribution on solving the mismatching problem between high capacity grade and low level of material modeling technology in design and manufacture of electrical equipments, and promoting the industrial standardization process in rotating magnetic properties measurement of the electromagnetic materials.

提高电力变压器、电机等电工设备工作性能和运行效率并降低能耗的最有效途径是解决铁心材料三维磁特性的准确测量和建模等问题，这也是国际电工领域的前沿和热点问题。但由于电工材料电磁特性的测试方法没有统一标准，特性模拟所需要的实验数据也不充分，制约了材料模拟技术的应用和推广。我国在磁材料三维磁特性模拟方面的研究尚处于起步阶段，磁特性测量方法沿用较早的工业标准，对材料模拟的研究也就限定在一维的范畴。本项目针对电工磁性材料的三维磁特性检测和材料模拟技术进行深入研究，提出对硅钢叠片材料和实心软磁复合材料三维旋转磁特性测量的方法，突破了一维和二维方法的局限；结合工程实际，准确全面的描述磁材料在工程应用中的磁化过程并建立张量磁滞模型和考虑旋转磁场的铁心损耗模型；为解决我国在电工装备设计制造方面所出现的容量等级高而材料模型计算水平低的"不匹配"问题并推进磁性材料旋转磁特性检测的工业标准化进程做出实质性的贡献。

电力变压器、电机等电工装备铁心广泛采用的材料磁特性大多是在单一方向激励条件下测得，且材料模型数据严重匮乏，在满足功率等级的设计要求时可能造成一些不合理的结果，比如耗材多、铁心功率密度低、整个装备效率低等问题。提高电工装备工作性能和运行效率并降低能耗的最有效途径是解决铁心材料三维磁特性的准确测量和建模等问题。本项目针对广泛应用的电工磁材料，创建新型三维磁特性测试系统，创造性提出柔性激磁、张量传感、激磁传感解耦、自适应数字反馈和谐波补偿算法。对常用软磁材料，如软磁复合材料、取向硅钢叠片、非取向硅钢叠片等材料进行了宽频激磁范围的三维磁特性测量，并初步创建了磁特性数据库。.本项目提出基于磁特性检测实验的三维磁阻率张量测定方法，分析影响磁阻率张量的关键因素，在一定条件下计算三维磁阻率张量的各元素典型值，定量分析张量矩阵的主对角线元素和非主对角线元素分布曲线；通过对矩阵的对称性的分析研究预测不同材料的三维磁场分布特点。提出了一种新型二维矢量磁滞算子的定义方法，解决了标量磁滞算子不能有效描述磁场强度与磁化强度之间存在夹角的问题，基于经典Preisach模型和S-W模型，创建了二维混合矢量PSW磁滞模型，计算分析了由各向异性材料和各向同性材料的磁滞算子构成的磁滞模型在交变和旋转激磁条件下的磁化过程，实现了磁性材料在任意角度激磁条件下的磁滞特性数值模拟。基于畴壁运动过程中的微观涡旋电流及其损耗，结合动态磁特性检测实验，建立了铁心损耗的理论计算模型，将微观磁畴理论应用于宏观磁特性研究中，提高了工程应用中铁心总损耗分离精度。首次提出用微分磁阻率张量模型描述硅钢片的空间多轴各向异性，建立了考虑矢量磁滞、空间各向异性、微观涡流的有限元数值模拟方法。提出并设计了电磁场模拟的三柱铁心标准验证模型，在交变和旋转磁化激励下，实现了局部磁场损耗和硅钢片的局部温升验证和模拟。.按照计划书要求，本项目已完成全部研究任务，解决了电工装备中材料特性模拟关键理论和技术难题，为电工装备优化设计和节能降耗奠定理论和实验基础。以本项目为基础，拓展研究了非晶、纳米晶、超薄硅钢等新型磁材料的高频磁特性以及模拟多工况服役条件下的综合磁特性；在磁滞模型拓展研究方面提出了逆Preisach宽频磁滞模型，提高了空间磁各向异性和旋转损耗计算精度；考虑硅钢叠片三维磁特性，对磁控饱和电抗器电磁振动开展了创新研究。