CN112560301A - 一种基于磁感原理的磁性材料涡流损耗计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于磁感原理的磁性材料涡流损耗计算方法,本发明提出了一种磁路矢量模型,将涡流反作用等效为磁路中的磁感元件,应用磁路矢量模型快速计算涡流损耗。当频率较高时,涡流损耗为主,可将其估计为总铁耗,本发明提出了磁路矢量模型,基于此给出磁性材料涡流损耗的计算方法,通过磁路中磁感值和磁通值就可以计算出磁性材料涡流损耗值,为高频电工装备的设计和性能评估提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及电磁计算领域,尤其涉及一种磁性材料涡流损耗计算方法。
背景技术
电工装备(电机、变压器、电抗器等)的损耗一般主要包括铜耗和铁耗。在低频率、低磁密的应用场合铁耗的占比较小,铁耗计算的准确度对装备的性能影响不大。但是随着电力电子技术的发展,电工装备运行的额定频率越来越高,如高速电机、高频变压器等,铁耗的占比越来越大,铁耗的精确计算对电工装备的性能至关重要。在经典的分离铁耗计算模型中认为铁耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗。还有一种观点将异常损耗归属于磁滞损耗,认为损耗主要分为磁滞损耗和涡流损耗两种。经典铁耗模型阐明了铁耗产生的机理,指出影响铁耗的主要因素是频率和磁密,认为磁滞损耗与频率呈正比,而涡流损耗与频率的平方呈正比。那么当频率增大到一定程度,涡流损耗在铁耗中的占比将很大,在工程应用中,使用涡流损耗替代总铁耗是可以接受的。因此,快速精确地估算涡流损耗对高频电工装备的研发和性能提升意义重大。
分离铁耗模型虽然可以计算涡流损耗,但是它仅描述正弦变化的标量磁场的损耗情况。对于非正弦变化的磁场,一般是基于傅里叶分解将交变磁场分解为多个正弦谐波分量,然后再应用分离铁耗模型计算各个谐波分量产生的损耗,最后叠加求和。这种方法最大的问题在于没有充分兼顾硅钢片本身的非线性特性,导致计算的铁耗值存在误差。ANSYSMaxwell公司采用的动态铁耗计算方法,虽然可以随着时步有限元动态地计算电机铁耗,但是该方法在计算涡流损耗时采用的涡流损耗系数是常数,而实际上,涡流损耗系数由于集肤效应的影响会随着频率的升高而减小,导致不同频率下的涡流损耗值存在误差。JMAG公司在计算动态涡流损耗时采用一维有限元法直接求解硅钢片内的涡流场分布,然后再计算涡流损耗。从上面的分析可知,目前的涡流损耗计算多是基于有限元法,先计算出磁场分布情况,然后再采用铁耗分离模型或者其他铁耗模型后处理计算损耗,计算量大。那么研究更加快速准确的涡流损耗计算方法是非常必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,针对背景技术的缺陷,将涡流反作用等效为磁路中的磁感元件,应用磁路矢量模型快速计算涡流损耗。当频率较高时,涡流损耗为主,可将其估计为总铁耗,可为高频电工装备的设计和性能评估提供指导。
本发明为解决技问题所采用的技术方案为:
本发明提出一种磁性材料涡流损耗计算方法,将涡流反作用等效为一个集中参数磁感Lmc,从而建立一个磁路矢量模型其中,j表示虚数单位,Rmc为电感元件所匝链磁路的磁阻值,ω为磁路中磁通变化的角频率,表示磁路中的磁通矢量,表示磁路中的磁势矢量;
具体过程如下:
进一步的,本发明所提出的一种磁性材料涡流损耗计算方法,虚拟磁功率和电功率可通过一个转换因子jω连接,两者满足关系:
其中,实部为有功功率,虚部为无功功率。
进一步的,本发明所提出的一种磁性材料涡流损耗计算方法,磁路中磁感消耗的功率与涡流损耗的功率相对应,涡流损耗只需用磁路中的磁感和磁通即可求得,具体是:
本发明采用以上技术方案,具有的有益效果:
1.在磁场计算时,考虑了涡流反作用对磁场分布的影响,可提高磁场计算精度。将涡流作用等效为一个集总“磁感”参数,改进了已有的磁路标量模型,为磁场的解析计算和有限元计算提供了新思路。
2.通过建立的磁路矢量模型,可以快速地计算磁路中的涡流损耗,可为电工装备初期设计提供指导。
附图说明
图1为本发明的磁路矢量模型的示意图。
图2为本发明的磁路矢量模型各参量的相量图。
图3为验证本发明的磁性材料涡流损耗计算方法的实验平台示意图。
图4为本发明的磁性材料涡流损耗计算的流程图。
图5为400Hz下本发明计算的磁性材料涡流损耗与实测涡流损耗的比较图。
图6为600Hz下本发明计算的磁性材料涡流损耗与实测涡流损耗的比较图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明提出了一种磁性材料涡流损耗计算方法。将涡流反作用等效为磁路模型中的一个集总参数“磁感”,用Lmc表示,它类比于电路模型中的电感,用L表示。在此基础上,提出了一种磁路矢量模型,如图1所示。类比于具有矢量特性的电路模型,具体的类比过程是:磁路的磁势类比于电路的可控电压,磁路的磁阻类比于电路的电阻,磁路的磁感(涡流反作用)类比于电路的电感,磁路中流过的磁通类比于电路中流过的电流。如图2所示,磁路中磁势磁通磁阻Rmc、磁感Lmc间关系的数学表达式与电路中电压电流电阻R、电感L间关系的数学表达式一致。通过磁路计算的功率和能量与通过电路计算的功率和能量在数学表达式上也一致,而且两者可以相互转换。其中,由磁性材料涡流作用引起的铁耗功率或能量等于磁路中磁感所消耗的功率或能量。
本发明的具体应用过程如下:
所述的磁路矢量模型中的磁感Lmc对交流磁通有阻碍作用,对直流磁通无阻碍作用,类比于电路中的电感对交流电流有阻碍作用,对直流电流无阻碍作用。
所述的磁路矢量模型的虚拟磁功率可通过磁势和磁通计算,类比于电路中的电功率可通过电压和电流计算,具体是
进一步,所述的虚拟磁功率公式的实部表示磁阻消耗的功率,其虚部表示磁感消耗的功率;
所述的磁感是磁性材料涡流作用的等效集总参数,磁路中磁感消耗的功率乘以ω就是涡流损耗功率;
进一步,计算电工装备磁性材料的涡流损耗时,只需给出磁路矢量模型,求出磁路中的磁通和磁感,就可以求解出磁性材料涡流损耗;
进一步,在建立磁路模型时,简单的电工装备可以直接建立集总参数的磁路矢量模型,复杂的电工装备可以将其进行区域划分,建立由多个集总参数磁路构成的磁网格矢量模型。
图3为验证本发明的磁性材料涡流损耗计算方法的实验平台示意图,主要包括可编程交流电源、艾泼斯坦方圈、功率分析仪和示波器。计算流程图如图4所示。使用可编程交流电源向励磁绕组输入400Hz的励磁电压,调节励磁电压使铁心中的磁密为0.5T(可为任意磁密值),进而可得到铁心中的磁通值通过功率分析仪读取此时输入的有功功率P。根据有功功率的磁路参数表达式,即的实部,可求出400Hz下铁心的磁感值Lmc_400。同一频率不同磁密下的磁感值不变。调节励磁电压使铁心中的磁密值分别为0.2T、0.8T和1.4T,进而可得到铁心中相应磁密值下的磁通值。应用磁路矢量模型中的涡流损耗计算公式,即可计算得到400Hz下,磁密值分别为0.2T、0.8T和1.4T时的涡流损耗,与通过功率分析仪直接观测的涡流损耗值(由于测试频率较高,为400Hz,功率分析仪上的有功功率减去励磁线圈的铜耗约等于涡流损耗)进行比较,如图5所示。
调节交流电源,向励磁绕组中输入600Hz的励磁电压,使铁心中的磁密分别为0.2T、0.8T和1.4T,进而得到铁心中相应磁密值下的磁通值。磁感是一个与磁路电阻相关的物理量。由于集肤效应的影响,磁路电阻会随着频率变化,磁感也会随之改变。同一磁密值下,磁感值与频率的关系为因此通过400Hz时的磁感值Lmc_400可得到600Hz时的磁感值为同样通过涡流损耗计算公式可得到600Hz下,磁密值分别为0.2T、0.8T和1.4T时的涡流损耗,与通过功率分析仪直接观测的涡流损耗值进行比较,如图6所示。
总之,本发明基于磁路矢量模型提出了一种磁性材料涡流损耗计算方法。以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。
Claims (4)
1.一种磁性材料涡流损耗计算方法,其特征在于,将涡流反作用等效为一个集中参数磁感Lmc,从而建立一个磁路矢量模型其中,j表示虚数单位,Rmc为电感元件所匝链磁路的磁阻值,ω为磁路中磁通变化的角频率,表示磁路中的磁通矢量,表示磁路中的磁势矢量;
所述磁性材料涡流损耗计算方法具体过程如下:
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EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20210326 Assignee: CHANGZHOU YUCHENG FUTONG MOTOR CO.,LTD. Assignor: SOUTHEAST University Contract record no.: X2024320000002 Denomination of invention: A Calculation Method for Eddy Current Loss of Magnetic Materials Based on the Principle of Magnetic Induction Granted publication date: 20211008 License type: Exclusive License Record date: 20240105 |