基于解析Preisach模型的非晶合金磁滞特性模拟

作为一种高磁导率、高频损耗低的软磁材料,非晶合金已广泛应用于高频变压器等电磁装置。如何准确、快速模拟其固有的磁滞特性对设备的优化设计具有重要意义。针对经典Preisach磁滞模型数值求解耗时、分布函数辨识复杂、模拟非晶合金磁滞特性精度低等问题,提出了一种可准确快速模拟非晶合金磁滞特性的解析Preisach模型。首先针对非晶合金不可逆磁化分量分布函数,基于非晶合金磁滞特性曲线实验数据利用特殊解析函数进行拟合,然后在基于积分法得到闭合形式Everett函数的基础上构建了非晶合金不可逆磁化分量。引入了含参双曲正切函数表征非晶合金可逆磁化分量,继而通过线性叠加的方式得到了解析Preisach模型。将该模型对非晶合金磁滞特性模拟结果以及损耗计算结果与实验结果进行对比,发现相对误差小于10%,并且该模型数值求解简单、易于仿真实现,具有较高的准确性与实用性。     

机械应力作用下电工钢片静态磁滞特性模拟方法研究

准确快速模拟磁性材料在不同应力下的磁滞特性对设计承受机械应力的电气设备铁心有重要意义。用BROCKHAUS-MPG200电工钢测试系统,测量了电工钢片样本在不同应力下的磁滞回线,发现其在应力作用下,磁滞回线会产生局部畸变的现象,且磁密越高,这种畸变越严重。为此,首次将2种常用的简化Preisach模型拓展至应力下的电工钢片磁滞特性模拟,发现仅有一种Priesach模型适用。根据该模型的基本特征,仅需利用具有畸变特性的实测极限磁滞回线,即可辨识不同应力值下的Everett函数。提出立方插值法提取以应力为变量的逆Everett函数,建立了应力下电工钢片的静态逆Preisach模型。实验及仿真结果表明,该模型计算精度较高,可用于实际工程中应力下磁性材料的磁滞特性模拟及磁滞损耗计算。     

机械应力作用下电工钢片静态磁滞特性模拟方法研究

准确快速模拟磁性材料在不同应力下的磁滞特性对设计承受机械应力的电气设备铁心有重要意义。用BROCKHAUS-MPG200电工钢测试系统,测量了电工钢片样本在不同应力下的磁滞回线,发现其在应力作用下,磁滞回线会产生局部畸变的现象,且磁密越高,这种畸变越严重。为此,首次将2种常用的简化Preisach模型拓展至应力下的电工钢片磁滞特性模拟,发现仅有一种Priesach模型适用。根据该模型的基本特征,仅需利用具有畸变特性的实测极限磁滞回线,即可辨识不同应力值下的Everett函数。提出立方插值法提取以应力为变量的逆Everett函数,建立了应力下电工钢片的静态逆Preisach模型。实验及仿真结果表明,该模型计算精度较高,可用于实际工程中应力下磁性材料的磁滞特性模拟及磁滞损耗计算。     

基于非均匀单元离散法的静态逆Preisach模型分布函数辨识

逆Preisach磁滞模型在磁性材料磁滞特性模拟及其损耗计算中具有重要作用,而其分布函数的准确快速辨识是该模型成功应用于实际工程的关键。传统均匀单元离散法常用于确定逆Preisach模型分布函数,但该方法在模拟低磁密下的磁滞特性时,其精度不高。针对该问题,该文提出相对敏感度的概念,即在不同磁场强度下的磁滞回线面积的小干扰波动程度,进行不同磁密下逆Preisach模型的相对敏感度分析,发现逆Preisach磁滞模型在低磁密时的敏感度较高,因而需要在该区间强化分布函数的辨识。为此,该文提出一种提取逆Preisach磁滞模型分布函数的非均匀单元离散法,其相较于传统均匀单元离散法,不需要更多的实测磁滞回线数据,且降低了分布函数矩阵的计算量。实验及仿真结果表明,相比于传统方法,该文所提方法辨识逆Preisach模型分布函数的精度较高,求解速度较快。     

解析正Preisach磁滞模型的推导与修正

准确且快速地模拟软磁材料的磁滞特性是电机、变压器等电力设备电磁场仿真及其优化设计等工作可靠展开的基本前提。然而,经典Preisach磁滞模型因包含了复杂的双重积分运算而难以达到上述要求,而现有唯一的纯解析Preisach模型存在推导失误、无法通用等问题。为此,针对该解析Preisach模型的问题,推导正确的Everett函数解析表达式,并基于Preisach基本原理,分析在其基础上考虑可逆磁化分量的本质原因,继而提出首个正确且通用的解析正Preisach模型。将仿真结果与实测结果进行对比,验证所提模型的精度。     

基于一阶回转曲线的Preisach磁滞模型研究

针对Preisach标量模型的磁滞算子几何叠加的原理,提出了基于一阶回转线进行磁滞特性研究的新模型。该模型基于Preisach模型的同余性和一阶回转曲线数据建立相应的磁滞数学模型,可以对铁磁材料的高阶回转曲线进行准确仿真。该模型实现简单,避免了传统数值方法求解Preisach分布函数必须进行两次求偏导和双重积分计算的复杂过程,并且提高了磁滞数学模型仿真精度。仿真结果与文献中测量结果相吻合,验证了该模型的准确性及有效性。     

基于Preisach磁滞模型的分布函数辨识与实验验证

基于Preisach磁滞模型,根据磁滞回线的对称性,提出辨识Preisach分布函数的方法,该方法把Preisach分布函数视为两个一维函数的乘积,将分布函数中复杂的双重积分求解问题转化为求解双线性方程组的问题。并基于爱泼斯坦方圈测量装置对变压器、电机中常用材料(B30P105)进行了相应的实验,仿真及实验结果的比对验证了该方法的可行性和实用性。     

强磁场永磁机构组装过程的动态有限元分析

提出一种外磁场按任意规律变化时,永磁材料特性的数值模拟方法。该方法将Preisach磁滞模型和有限元法相结合,完成对强磁场永磁机构装配过程的动态磁场分析。所提出的方法将永磁材料包括局部回线在内的磁滞特性包含到数学模型中,在合理的假设下,考虑了计及磁滞效应的"旋转磁化"。该方法只需要利用永磁材料的极限磁滞回线即可完成分析计算,避免了采用大量实验统计方法确定传统Preisach磁滞模型的分布函数。通过与传统简化计算方法(电流片等效法)和实验结果的比较,证明了所提方法的有效性。     

基于cosh函数的Preisach磁滞模型参数辨识与验证

除了导热、介电等物理特性之外,电工磁性材料的磁滞特性精确建模是电磁设备优化设计的共性基础问题。建立准确的磁滞数学模型,对设计电机、变压器等设备至关重要。基于Preisach模型,用cosh函数来代替Preisach分布函数,同时引入Everett函数建立解析形式的磁滞数学模型。利用BH-Loop分析仪,对电机中常用材料50WW600进行实验。应用差分进化算法,以磁滞回线计算值与实验值之间的方差为适应度函数,辨识了模型的三个参数。通过所建模型的仿真值与实测曲线的对比,验证了模型的准确性,可以有效地模拟铁磁材料的静态磁滞回线。     

基于二维磁特性测量的电工钢片矢量磁滞模型

提出一种模拟电工钢片复杂磁特性的矢量磁滞模型。该模型考虑频率、磁化历史等因素对磁滞特性的影响,模型中磁滞系数与磁阻系数的确定是基于双激励二维磁特性测量实验获得的,在实验中通过对磁通密度变化轨迹的控制实现对磁场强度波形的测量。所提出的模型既避免了传统磁滞模型数学表达的复杂性,又提高了模拟的准确度,更适用于工程应用。通过与传统模型及实验测量结果的比较,证明了所提出的模型能更有效、更准确地模拟电工钢片的复杂磁特性。     

两种简化Preisach模型静态特性的对比分析及评估

简化Preisach模型以其精度高、运算速度快的优点而被广泛运用于电力设备的磁滞及损耗特性模拟。本文针对现有两种不同的简化Preisach模型,分别从磁滞回线模拟精度、损耗求解精度、计算速度三方面对其进行了对比分析与综合评价。通过实验及仿真表明,Ragusa提出的简化Preisach模型(模型1)在考虑可逆磁化分量后(模型1认为磁化过程分为可逆磁化与不可逆磁化两部分),其在低磁密下的磁滞回线模拟有一定的改善,但高磁密下无明显改善,而损耗计算的全局平均误差则由12. 34%下降至9. 57%。考虑可逆磁化分量的模型1比Naidu提出的简化Preisach模型(模型2)在磁滞回线模拟精度上略有提高,而在损耗计算精度上,模型1与模型2的全局平均误差分别为9. 57%、7. 81%。在求解速度上,模型1由于包含复杂的积分而明显慢于模型2。因此综合考虑,建议在磁性材料的磁滞及损耗特性模拟等方面选用模型2。     

解析逆Preisach磁滞模型

如何在保证模拟精度的基础上，提升逆磁滞模型的计算速度一直以来是国际电磁场领域研究的热点问题。然而，现有所提逆磁滞模型难以兼顾精度与速度的双重要求。解析形式的逆磁滞模型具有较快的求解速度，如何提出高精度的此类模型是解决上述问题的关键所在。为此，该文利用课题组所提基于解析Everett函数推导而得的解析正Preisach磁滞模型，分别推导了初始磁化曲线、磁滞回线下降支与上升支的磁导率的解析表达式，继而利用差分法，推导得到了目前唯一一个解析的逆Preisach磁滞模型。通过对比仿真与实验结果，验证了所提解析逆Preisach磁滞模型的模拟精度，并在模拟精度与计算速度两方面将其与广泛应用的逆J-A磁滞模型进行对比，发现它的平均相对误差比逆J-A磁滞模型小10%以上，且其计算速度约为逆J-A磁滞模型的2.67倍。     

Preisach理论及其在铁心磁化过程建模中的应用

简要介绍了经典Preisach理论,提出了一种用于仿真铁心磁化过程的新型数字化模型。该模型通过分离Preisach函数的变量,得到了铁心磁化轨迹的表达式;采用堆栈操作来模拟铁心对磁场强度极值的记忆和遗忘,以此来确定铁心磁化轨迹的位置。仿真和实验结果比较表明,新模型实现简便、仿真准确,具有较高的精度,且能准确反映铁心磁化轨迹的特点。     

考虑钉扎效应的电工钢片局部磁滞回环多尺度磁畴模拟

高速电机高频高速及其驱动器存在谐波等特点导致供电系统谐波大的问题日益严重。谐波磁场会影响电工钢片的磁特性,降低电机功率,影响供电系统性能。因此准确的预测谐波状态下电工钢片的磁特性是一个亟需解决的问题。文中研究了遵循磁化过程中稳定状态对应于总能量极小值状态原理的多尺度磁畴模型,将介观尺度上的磁畴运动机制与宏观尺度上的磁化过程相结合。通过引入含有Stop算子的钉扎能对谐波状态下电工钢片的磁滞特性进行预测;引入磁弹性能有效地考虑表面绝缘涂层应力对谐波下磁特性和磁致伸缩的影响。最后将相同激励下的模拟结果与实验测量结果进行了对比,验证了谐波磁场下多尺度磁畴模型的有效性。     

基于极限磁滞回线法的软磁复合材料磁特性模拟

软磁复合材料由于其磁各向异性、低损耗、易加工、成本低等优点,在含有三维磁路结构的电磁设备(如球形电机、爪极电机、横向磁通电机等)中具有巨大的应用潜力,因此在电气工程领域引起了广泛关注。为准确模拟软磁复合材料在复杂磁化条件下的磁特性,本文提出基于Preisach磁滞模型的极限磁滞回线法。该方法通过Preisach平面几何描述和分离分布函数变量解决经典Preisach模型中分布函数难以确定的问题,只需要极限磁滞回线的数据就能够模拟包括主磁滞回线和多阶回转曲线在内的多种磁特性。根据模拟得到的不同压力作用下的一阶回转曲线族求出不同压力下所对应的分布函数,同时引入包含压力在内的分布函数表达式,使其能够考虑压力变化对材料磁特性的影响。最后通过与实验结果对比,验证极限磁滞回线法的有效性和正确性。     

基于PREISACH理论的电流互感器建模研究

提出了一种新型电流互感器（CT）数字化模型。该模型由CT电磁感应方程和基于Preisach理论的新型铁心磁化模型组成：基于Priesach理论的WIPING—OUT特性，提出了确定铁心运行所在磁化曲线的方法，并在新坐标系下分离Preisach函数的变量，得到了不同情况下铁心磁通密度的计算方法，由此建立了铁心磁化模型；提出了一种新的寻解算法，通过该算法将铁心磁化模型同CT电磁感应方程相耦合，建立了CT数字化模型。该模型只需极限磁滞回环下降支、一次电流和二次负荷等少量易被直接测得的参数，即可较准确地仿真铁心内部磁化过程，具有实现简便，仿真精度高等特点。采用文中CT模型对保护CT的饱和特性进行了仿真研究，仿真结果和实测数据的比较验证了模型的有效性。     

一种考虑动态磁滞效应的高效稳定时域有限元计算方法

在时域有限元分析中,考虑铁心磁滞特性与损耗等效磁场对磁场分布的反馈作用,对精细化模拟电工装备的暂态电磁特性具有重要意义。针对耦合动态磁滞特性有限元分析中,存在计算时间长、收敛不稳定等问题,该文提出一种基于等效磁阻率的改进固定点迭代策略,并应用于耦合Preisach磁滞模型的时域有限元分析中。首先,鉴于逆Preisach模型易于数值实现且具有较高的计算精度,铁心材料的磁滞行为由逆Preisach模型进行描述,并基于解析一阶回转曲线对模型进行了参数辨识;其次,通过分析动态磁场分量对收敛性的影响,提出基于等效磁阻率的固定点迭代策略,并在有限元迭代过程中引入松弛因子以加强算法的收敛速度与稳定性;最后,以爱泼斯坦方圈为例,计算铁心中的磁场分布特性与瞬时损耗分布特性并进行实验验证。结果表明,该文所提动态磁滞有限元计算方法在具有较高精度的同时具有较好的收敛速度及稳定性。     

基于PSO-Powell混合算法的软磁复合材料二维矢量磁滞特性模拟

针对经典矢量Preisach模型仅能模拟各向同性磁滞特性的缺陷,提出改进的矢量磁滞模型.通过引入幅值与方向角的关联参数改善磁场强度的曲线形态,使模型能够考虑软磁材料的各向异性特征.利用矢量磁特性实验平台对软磁复合材料(SMC)在二维旋转磁化激励下的磁特性进行测量,根据测量的极限磁滞回线,分别构造标量和矢量Everett函数.提出基于粒子群(PSO)和Powell方向加速的组合优化策略,显著改善PSO的局部寻优能力,提高计算效率和精度,进而实现矢量Preisach磁滞模型的高效参数辨识.矢量磁滞特性的仿真结果与测量结果相吻合,验证了该文所提改进矢量磁滞模型及其参数辨识方法的有效性.     

机械应力下电工钢片磁滞与磁致伸缩回环滞后特性模拟

机械应力会影响电机铁心材料的磁滞回环特性和磁致伸缩回环特性,进而影响电机损耗与振动等运行性能,为此需要在电工产品设计阶段有效模拟电工钢片磁滞-磁致伸缩应变-机械应力的耦合关系下的磁特性。基于磁畴能量极小值的原理,该文提出改进的磁畴结构模型（ADSM）实现电工钢片在机械应力下磁滞与磁致伸缩回环滞后特性表征。引入磁滞能量密度函数描述磁滞和磁致伸缩回环滞后效应,引入磁弹性能考虑机械应力对磁特性的影响,使用多个晶粒磁特性的平均值来表示多晶结构电工钢片的磁特性,最后通过模型结果与实验测量数据对比,验证了该改进的ADSM较传统模型更能有效地表征电工钢片的磁滞与磁致伸缩滞后特性,为准确计算铁心的损耗与振动性能奠定基础。     

考虑各向异性和模型参数应力依赖关系的改进Sablik-Jiles-Atherton磁滞模型

机械应力会显著改变取向电工钢片的磁滞特性。Sablik-Jiles-Atherton(S-J-A)磁滞模型由于计算简单、物理含义明确，被广泛用于模拟机械应力作用下的磁滞特性，然而此模型存在模拟精度低的问题。为此，该文在现有S-J-A磁滞模型的基础上，考虑取向电工钢片本身的各向异性和由机械应力引起的各向异性，实现对无磁滞磁化强度表达式的修正；在此基础上，根据机械应力对取向电工钢片磁畴排列模式的影响，引入无磁滞磁化强度形状系数和钉扎系数对机械应力的依赖关系，提出一种改进的S-J-A磁滞模型；最后，以30QG120型取向电工钢片为例，应用所提改进模型模拟了不同机械应力下的磁滞回线，通过与实验测量和现有模型进行对比，验证了所提改进模型的准确性。