CN104198966A - 电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，涉及基于微观统计学原理推导出电工磁性材料异常损耗的计算模型，其步骤是：根据计算模型，设计测量装置，对模型中的特性参数经由试验获得；再在此测量装置上测量多组不同磁化频率下的铁心损耗再经过数学拟合对电工磁性材料损耗系数加以确定；最后，应用交流磁化时铁心损耗的一般计算公式，获得所测量的电工磁性材料异常损耗。本发明不仅使电工磁性材料异常损耗从理论上更为准确，测量方法简单、易于实现，而且具有通用性，可在实际的工业应用中提高电工设备的工作性能和运行效率并降低能耗。

Description

电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置

技术领域

本发明的技术方案涉及利用搭建的三维测量装置对电工磁性材料异常损耗进行测量，具体地说是电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置。

背景技术

电工磁性材料广泛应用于电气工程领域，如电力变压器、电机等铁心部件，是直接影响电工设备电气性能的最关键部分。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。CN201110053126.1公开了一种电工磁性材料旋转磁化特性测量装置，对测量元件的磁场强度和磁感应强度数据进行测量与分析以获取所述测试样片的旋转磁化特性，进而可以指导电机等其它电工设备的优化设计。CN200710142784.1为一种电工磁性元件损耗的测量装置，磁性元件的损耗实质上为电源转换器的输入电压与输入电流的乘积，以通过电源转换器的输入电压与输入电流的乘积得到磁性元件的损耗，测量所需的时间很短，适合用于磁性元件的品质管理。上述对电工磁性材料(元件)的特性(损耗)测量，都是通过设计测量装置，利用物理关系等获得所测量的电工磁性材料(元件)的特性(损耗)，其主要缺点如下：它们只能进行单一纯量的测量，缺乏通用性，装置内部设计过于复杂、繁琐，加重了操作难度等。

因此，基于准确、高效的目的，通过建模与计算研究，对电工磁性材料异常损耗进行测量成为一个重要的研究课题，具有重要的理论意义与实际应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在不增加工业成本及可多种多次精确测量的前提下，通过简单而又实用地操作对电工磁性材料异常损耗进行测量，以提高电工设备的工作性能和运行效率并降低能耗，并适于实际的工业应用。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，涉及基于微观统计学原理推导出电工磁性材料异常损耗的计算模型，并设计测量装置对各种参数和系数进行试验测量，求得其异常损耗。其步骤是：模型中的特性参数涉及到材料的微观统计特性，提出了一种通过所设计的测量装置经由试验获得此材料参数的测量方法；在忽略磁化条件的影响时，给出了通过所设计的测量装置测量多组不同磁化频率下的铁心损耗再经过数学拟合对电工磁性材料损耗系数加以确定的具体措施；最后，应用交流磁化时铁心损耗的一般计算公式，获得包括异常损耗在内的各种损耗。

上述电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，所述的计算模型推导如下：假设平均磁感应强度的变化率为磁化强度的最大值为B_max，磁化频率为f_m，且有：

$\stackrel{\·}{B}={4B}_{\max }{f}_m$

对每个磁对象来说，其动态行为都受H_adf控制，此处：

$H_{\mathrm{adf}}\∝\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}$

$H_{\mathrm{adf}}=P_a/\stackrel{\·}{B}$

其中，H_adf代表作用在每个磁对象上的异常动态场，对应于每个磁对象的磁通变化率。

在电工磁性材料的截面中，当有个磁对象同时作用时，将会是薄片材料整个截面中磁场变化率的(S代表电工磁性材料的截面积)，从而：

$H_{\mathrm{adf}}\∝1/\tilde{n}$

进一步将上式改写为：

$H_{\mathrm{adf}}=P_a/\stackrel{\·}{B}=H_w/\tilde{n}---\left(1\right)$

$\tilde{n}=H_w/H_{\mathrm{adf}}---\left(2\right)$

式中，H_w与G_w有关，G_w＝(4/π³)[∑k1/(2k+1)³]＝0.1356。且可知，同时是H_adf和P_a的函数。

对于电工磁性材料，其微观统计特性满足如下规律：

$\tilde{n}={\tilde{n}}_0+H_{\mathrm{adf}}/H_0---\left(3\right)$

此处，和H₀分别为磁化频率趋于0时活动的磁对象数量的最大值和此时的磁场强度。

联立(1)-(3)式可进一步将(1)式改写为：

$H_{\mathrm{adf}}=P_a/\stackrel{\·}{B}={\tilde{n}}_0{H}_0(\sqrt{1+4{\mathrm{\σG}}_{w}S\stackrel{\·}{B}/\left({{\tilde{n}}_0}^2{H}_0\right)}-1)/2$

即：

$\begin{array}{c}{P}_a=\stackrel{\·}{B}{\tilde{n}}_0{H}_0(\sqrt{1+4\mathrm{\σ}{G}_{w}S\stackrel{\·}{B}/\left({{\tilde{n}}_0}^2{H}_0\right)}-1)/2\\ =2B_{\max }{f}_m{\tilde{n}}_0{H}_0(\sqrt{1+16{\mathrm{\σG}}_w{\mathrm{SB}}_{\max }{f}_m/\left({{\tilde{n}}_0}^2{H}_0\right)}-1)\end{array}---\left(4\right)$

可见，对于不同类型的电工磁性材料，只需确定描述其微观统计特性的2个参数和H₀，其异常损耗即可通过(4)式加以计算。

为简单起见，可将(4)式近似写为：

$\begin{array}{c}{P}_a/f_m\≈{2B}_{\max }(\sqrt{16{\mathrm{\σG}}_w{\mathrm{SB}}_{\max }{f}_m{H}_0}-{\tilde{n}}_0{H}_0)\\ \≈{8B}_{\max }\sqrt{\mathrm{\σ}{G}_w{\mathrm{SB}}_{\max }{f}_m{H}_0}\end{array}$

即：

$P_a\≈8\sqrt{{\mathrm{\σG}}_w{\mathrm{SH}}_0}{\left(B_{\max }{f}_m\right)}^{3/2}---\left(5\right)$

式(5)即是工程中常用的异常损耗计算模型。模型中的参数和H₀描述的是电工磁性材料的微观统计特性，一旦对其加以确定后，就能最终获得材料的计算模型。

上述电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，所述的特性参数的试验测量方法：1、首先测量同一电工磁性材料在不同磁化频率下的损耗，并分离出异常损耗，绘制P_a/f_m～f_m的关系曲线；2、其次利用(1)式可计算得到一组H_adf的值，同时计算得到一组对应的H_w值；3、再次通过式(2)可得一组对应的值，并绘制的关系曲线，由式(4)知，曲线的延长线与轴的交点就是对应4、最后按直线对所绘制的曲线进行数据拟合，其斜率的倒数即为H₀。

上述电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，所述的获得损耗系数的具体措施为：由交流磁化时铁心损耗的一般计算公式：

P_ail＝K_hfB_m ^α+K_e(fB_m)²+K_a(fB_m)¹⁵         (6)

式中，K_h为磁滞损耗系数，α为磁滞损耗经验系数；K_e为涡流损耗系数；K_a为异常损耗系数。设在磁化频率为f_i，B_mi时测得的铁心损耗为P_Fei，共测量n组数据。通过式(6)计算得到的对应的铁心损耗为P_aili，也是n组数据。于是可通过下式对K_h、α、K_e和K_a进行拟合：

$f(K_h,{\mathrm{\α},K}_e,K_a)=\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{P_{\mathrm{Fei}}-P_{\mathrm{aili}}}{P_{\mathrm{Fei}}}\right)}^2---\left(7\right)$

在(7)式中，K_h、α、K_e和K_a均为待定系数。当f(K_h，α，K_e，K_a)取得最小值时的K_h、α、K_e和K_a即为所要确定的系数。

上述电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，所述的所设计的测量装置为新型三轴正交磁特性测试系统，它带有能使样品实现饱和磁化的可控激磁装置和能检测微小信号的高精度表面传感线圈，可测量叠片结构或实心结构样品任意方向的磁特性。

本发明的有益效果是：①基于微观经济学基础的电工磁性材料异常损耗的计算模型，使损耗计算从理论研究上更为准确；②试验测量方法简单，便于操作与实现；③所设计的测量装置可进行多种多次精确测量，既节约成本又适于实际的工业应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明电工磁性材料异常损耗测量方法的流程示意框图。

图2为本发明电工磁性材料异常损耗测量装置示意图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明电工磁性材料异常损耗测量方法的流程是：由推导出的电工磁性材料异常损耗计算模型，设计测量装置，对模型中的特性参数经由试验获得；再在此测量装置上测量多组不同磁化频率下的铁心损耗再经过数学拟合对电工磁性材料损耗系数加以确定；最后，应用交流磁化时铁心损耗的一般计算公式，获得所测量的电工磁性材料异常损耗。

图2所示实施例表明，本发明电工磁性材料异常损耗测量装置，带有可控激磁装置和能检测微小信号的高精度表面传感线圈，能保证测量精度，进而确保所得的电工磁性材料异常损耗的可信度。

Claims (5)

1.电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，其特征在于涉及基于微观统计学原理推导出电工磁性材料异常损耗的计算模型，其步骤是：根据计算模型，设计测量装置，对模型中的特性参数经由试验获得；再在此测量装置上测量多组不同磁化频率下的铁心损耗再经过数学拟合对电工磁性材料损耗系数加以确定；最后，应用交流磁化时铁心损耗的一般计算公式，获得所测量的电工磁性材料异常损耗。

2.根据权利要求1所述的电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，其特征还在于，所述的计算模型基于微观统计学原理推导出，即：

$\begin{array}{c}{P}_a=\stackrel{\·}{B}{\tilde{n}}_0{H}_0(\sqrt{1+4\mathrm{\σ}{G}_{w}S\stackrel{\·}{B}/\left({{\tilde{n}}_0}^2{H}_0\right)}-1)/2\\ =2B_{\max }{f}_m{\tilde{n}}_0{H}_0(\sqrt{1+16{\mathrm{\σG}}_w{\mathrm{SB}}_{\max }{f}_m/\left({{\tilde{n}}_0}^2{H}_0\right)}-1)\end{array}$

为简单起见，可将上式近似写为：

$\begin{array}{c}{P}_a/f_m\≈{2B}_{\max }(\sqrt{16{\mathrm{\σG}}_w{\mathrm{SB}}_{\max }{f}_m{H}_0}-{\tilde{n}}_0{H}_0)\\ \≈{8B}_{\max }\sqrt{\mathrm{\σ}{G}_w{\mathrm{SB}}_{\max }{f}_m{H}_0}\end{array}$

即：

$P_a\≈8\sqrt{{\mathrm{\σG}}_w{\mathrm{SH}}_0}{\left(B_{\max }{f}_m\right)}^{3/2}$

是最终获得的材料异常损耗计算模型，对于不同类型的电工磁性材料，只需确定描述其微观统计特性的2个参数和H₀，即可对其异常损耗加以计算。

3.根据权利要求1所述的电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，其特征还在于，所述的特性参数的试验测量方法：1、首先测量同一电工磁性材料在不同磁化频率下的损耗，并分离出异常损耗，绘制P_a/f_m～f_m的关系曲线；2、其次利用(1)式可计算得到一组H_adf的值，同时计算得到一组对应的H_w值；3、再次通过式(2)可得一组对应的值，并绘制的关系曲线，由式(4)知，曲线的延长线与轴的交点就是对应4、最后按直线对所绘制的曲线进行数据拟合，其斜率的倒数即为H₀。

4.根据权利要求1所述的电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，其特征还在于，所述的获得损耗系数的具体措施为：由交流磁化时铁心损耗的一般计算公式

P_ail＝K_hfB_m ^α+K_e(fB_m)²+K_a(fB_m)¹⁵

式中，K_h为磁滞损耗系数，α为磁滞损耗经验系数，K_e为涡流损耗系数，K_a为异常损耗系数；设在磁化频率为f_i，B_mi时测得的铁心损耗为P_Fei，共测量n组数据；通过上式计算得到的对应的铁心损耗为P_aili，也是n组数据；通过下式对K_h、α、K_e和K_a进行拟合：

$f(K_h,{\mathrm{\α},K}_e,K_a)=\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{P_{\mathrm{Fei}}-P_{\mathrm{aili}}}{P_{\mathrm{Fei}}}\right)}^2$

式中，K_h、α、K_e和K_a均为待定系数；当f(K_h，α，K_e，K_a)取得最小值时的K_h、α、K_e和K_a即为所要确定的系数。

5.根据权利要求1所述的电工磁性材料异常损耗测量方法及其装置，其特征还在于，所述的所设计的测量装置为新型三轴正交磁特性测试系统，它带有能使样品实现饱和磁化的可控激磁装置和能检测微小信号的高精度表面传感线圈，可测量叠片结构或实心结构样品任意方向的磁特性。