基于矢量Jiles-Atherton模型的电工钢片二维磁滞特性的精准模拟及其在有限元计算电机铁损中的应用研究

The iron loss distribution cannot be calculated accurately by the Finite Element Method combined with the simplified B-H curve of electrical steel sheets. Modeling the magnetic hysteresis characteristics of electrical steel sheets is the key point of evaluating the iron loss accurately. Even for an isotropic electrical steel sheet, the magnetic hysteresis characteristics along the rolling direction and the transverse direction are quite different. Therefore, a vector hysteresis model is required. The Finite Element computation combining with the vector hysteresis model can be quite time consuming. Therefore, the vector hysteresis model should be time efficient. The original vector Jiles-Atherton model, which was developed based on the scalar Jiles-Atherton model, has the advantages of high computing efficiency. However, the modeling accuracy under saturated excitation is not very accurate. In this research, the modeling accuracy is improved by modifying the vector Jiles-Atherton model. Based on the improved vector Jiles-Atherton model, combing with the eddy current loss model and excess loss model, the iron loss model is developed. The iron loss model will be combined into Finite Element Method for an accurate iron loss prediction.

使用基于电工钢片B-H曲线的有限元方法不能准确地计算出电机铁损分布。电工钢片的磁滞损耗、涡流损耗和额外损耗都体现在磁滞回线上，准确地模拟磁滞回线是构建铁损模型的关键。对于各向同性电工钢片，其沿轧制方向和垂直于轧制方向的磁滞特性也有所不同，需要用二维矢量磁滞模型来描述。在有限元计算中，需要对大量单元分别进行矢量磁滞模拟，因此要求磁滞模型具有较高的计算效率。原始矢量Jiles-Atherton模型是在标量Jiles-Atherton 模型基础上发展而来的，具有所需实验数据少、计算效率高等优点，但在饱和情况下的模拟精度尚不理想。本课题改进了原始矢量Jiles-Atherton模型，提高了模拟精度，并以改进的矢量Jiles-Atherton模型为基础，结合涡流损耗模型和额外损耗模型，构建准确的铁损模型，将铁损模型结合到有限元计算中，从场的角度进行铁损计算，以从根本上解决电机铁损计算不准问题。

由于铁磁材料的复杂磁特性，电磁装置的铁损计算仍然是国际相关专业的研究热点与难点。基于电工钢片B-H曲线的电磁装置性能计算是一种近似处理，国际上几款著名的电磁场计算软件在近几年都推出了基于磁滞模型的铁损计算模块，但稳定性和通用性都有待于提高，主流电磁分析仍然基于B-H基本磁化曲线。电磁装置的铁损的准确分析主要取决于两个方面。一方面是对铁磁材料磁特性的准确建模，主要是指其磁滞模型。另一方面是将磁滞模型有效地结合到有限元算法中。在本课题中，我们的研究重点也集中在这两点，并且在实际计算时磁滞模型计算与有限元非线性迭代算法相互影响，必须兼顾考虑。本课题中，我们改进了矢量Jiles-Atherton模型，使其具有更高的模拟精度，通过对各向同性硅钢片35PN440的模拟结果和实验测试结果的对比证明了模型的可行性和准确性。在研究结合磁滞模型的有限元非线性迭代算法过程中，一开始使用基于differential reluctivity的直接迭代法，经过大量的测试发现这种迭代算法收敛性不好，计算很容易发散。通过对非线性迭代原理的研究，选用了收敛比较稳定的fixed-point method, 但是其收敛速度较慢，我们提出了根据材料不同方向的相对磁导率计算定点迭代的系数，极大地加快了非线性迭代的收敛速度。通过对单相变压器的计算验证，证明了我们所提方法的正确性和有效性。我们实验测试了电流源激励下的变压器拐角处的B-H轨迹，与基于改进后的矢量Jiles-Atherton 磁滞模型的有限元计算结果非常相似，从而证明了计算结果的正确性。进一步将电流源激励问题拓展到电压源激励问题，在有限元计算中需要结合电路方程。通过对电压源激励的三相变压器的正确计算，验证了电压源程序的正确性。采用基于矢量磁滞模型的有限元方法可以直接计算出每个单元的磁滞回线，因此可以直接根据磁滞回线的面积计算出铁损的大小。由于磁性材料的特殊性，其磁特性会随着电磁装置制造、加工、组装过程中产生的压力、温度等因素的影响而发生较大的变化。因此根据硅钢片样片测量结果所建立的磁滞模型与实际电磁装置中的磁性材料特性还有一定的差异。本课题后续研究的重点是算法的可靠性及应用。