谐波磁场激励下的硅钢片磁滞特性模拟及其与有限元法结合的损耗计算研究

Hysteresis phenomenon of electrical steel sheets under time periodic excitations has been modeled, and implemented to finite element computation of iron loss. In some complex devices, such as electrical machines with inverter supply, high frequency transformer, and so on, there exist harmonic magnetic fields inside the machine, which makes the hysteresis phenomenon more complicated. Due to the complexity of hysteresis models, it is difficult to get converged when adopting finite element method coupled with circuit equations and hysteresis models solving magnetic fields directly. Therefore, the hysteresis loops of the electrical steel sheets are measured by using the Epstain frame along rolling and transverse directions under excitations with different magnitudes and frequencies. The Loss Surface (LS ) model is established based on the measured data. The finite element method is combined with circuit equations to solve the magnetic fields with single valued B-H curve first. The computed magnetic induction B in each element is then taken as the boundary conditions, finite element method combined with LS hysteresis model is adopted to solve the magnetic field inside the electrical steel sheets. The iron loss can be computed according to the eddy current inside the electrical steel sheets and the dynamic hysteresis loops.

我们已经实现了正弦磁场激励下的硅钢片磁滞特性模拟，并且成功地与有限元法结合用于电磁场的精准分析和铁损计算。在复杂的电磁装置中，如变频器供电电机、高频变压器等，磁场中含有大量谐波，硅钢片呈现出更为复杂的磁特性，导致磁滞模型也更为复杂。由于数值计算迭代算法的限制，直接耦合电路方程和磁滞模型的有限元法在计算谐波磁场时收敛不稳定，对含有谐波激励的电磁装置铁损分析需另辟蹊径。采用电路方程与电磁场控制方程耦合，电磁场控制方程与磁滞模型耦合的方式，对由硅钢叠片组成的电磁装置进行谐波激励下的电磁场计算。测量硅钢片在不同幅值和频率激励下的磁滞回线，构建基于实验测量数据的LS动态磁滞模型。采用基于单值B-H磁化曲线的场路结合有限元法进行谐波激励下的电磁场分析。以计算得到的磁感应强度B为边界条件，采用结合LS动态磁滞模型的有限元法对硅钢片截面进行涡流场计算，得到硅钢片内部涡流场分布和动态磁滞回线，计算铁损分布。

本研究针对谐波激励下由硅钢构成的电磁装置的铁损计算问题进行探索，采用了电磁场数值计算和磁滞模型模拟的方案进行铁损的计算。磁滞模型采用了LS动态磁滞模型，经过爱波斯坦方圈和变压器的测试对比，验证了LS磁滞模型的有效性。对于永磁同步电机等复杂的电磁装置，由于激励源的复杂特性，硅钢片内部的电磁场分布也更为复杂，因此，在本研究中，首先采用场路耦合的方法对永磁同步电机在单位电流最大转矩的控制模式下进行仿真分析，得到电机内部硅钢中的磁场分布，再结合LS动态磁滞模型进行铁损计算。为了验证所采用方法的计算精度，采用实验方法测量永磁同步电机的铁心损耗，并对比了测量和计算结果。在爱波斯坦方圈的铁损验证中，本研究所提出的方法计算精度较高，误差在百分之十以内。在永磁同步电机铁损的验证中，采用所提出的方法计算铁损与实验测量结果相比，误差在百分之二十左右。本研究所提出的铁损计算方法具有广泛的通用性，可以用来分析由硅钢构成的电磁装置的铁损，不局限于某一类电磁装置，可为电磁装置的优化设计提供更可靠的依据。