CN114236433A - 一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法。首先，提出一种新的不可逆磁化强度M_irr计算公式，确保了不可逆强度随有效磁场强度H_e的变化率dM_irr/dH_e始终为正；其次，提出一种变参数计算公式，其中，无磁滞磁化曲线形状参数a、磁畴内部耦合平均场参数α、可逆磁化参数c随有效磁场强度H_e绝对值增大而增大；并且，提出一种新的模型缩放系数计算公式，该公式仅需单个历史磁场强度转折点的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr。本发明方法在不引入新非物理现象的基础上，可以有效修正传统Jiles‑Atherton模型的负不可逆磁化强度对磁场强度变化率dM_irr/dH问题、磁滞回环不闭合问题、以及中心磁滞回线关于原点不对称问题，适应于在线估测铁磁材料磁感应强度应用领域。

Description

一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法

技术领域

本发明涉及一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法，属于电气工程、铁磁材料领域。

背景技术

铁磁材料由于具有高磁导率的特性，所以被广泛应用于电机、变压器等功率变换器件。但是，由于铁磁材料还具有磁饱和、磁滞等非线性特性，所以使得铁磁材料内部磁感应强度的测量难度大大增加。而倘若想要精确建模应用了铁磁材料的电气器件的电磁特性，从而实现高性能电路控制、浪涌电流故障保护等目标，则需要综合考虑并在线测量铁磁材料内部磁感应强度的变化情况。

目前，针对磁感应强度测量方法主要包含：接触式测量与非接触式估测。其中，接触式测量依靠在铁磁材料内部嵌入磁感应强度传感器从而达到测量目的，该方法应用简单、在确保传感器精度的情况下有较高的准确性。但是，该方法也会造成成本增加，并改变嵌入点的磁路结构，引入额外的结构应力，影响电气器件的工作性能。非接触式估测则在不引入额外传感器基础上，基于电路电流、电压信息估计铁磁材料内部的磁感应强度，该方法不会改变电气器件结构、节约成本，因而被广泛应用于学术研究中。

目前，针对铁磁材料内部磁感应强度的非接触式估测方法主要采用Jiles-Atherton(JA)模型，因为JA模型对磁化物理过程有着更好的理论依据，并且所需整定的模型参数较少。然而，传统的JA模型估测的磁感应强度可能会具有诸多非物理现象：首先，由于JA模型存在可突变的符号函数δ，使得不可逆磁化强度对磁场强度变化率dM_irr/dH可能存在负值；其次，针对不同的磁场强度变化方向，JA模型的表达式也存在差异，使得JA模型求解的磁滞回环不再闭合；最后，JA模型可能会导致中心磁滞回线的下降沿和上升沿不再针对原点对称。

目前，针对dM_irr/dH可能为负值问题，已有学者提出采用限幅器δ_M将负的dM_irr/dH限制为0。但是，该方法可能会使得磁滞回环两边沿重叠，引入新的非物理现象。而针对磁滞回环不闭合问题，已有学者提出可以采用缩放系数的方法，缩放磁滞回环不闭合的边沿，使其闭合。但是，该缩放系数不能解决磁滞回线关于原点不对称问题。因此，能同时解决上述负dM_irr/dH问题、磁滞回环不闭合问题、磁滞回线关于原点不对称问题，又不引入新非物理现象的铁磁材料磁感应强度在线估测方法仍有待进一步提出。

发明内容

本发明的目的在于修正传统Jiles-Atherton模型的负不可逆磁化强度对磁场强度变化率dM_irr/dH问题、磁滞回环不闭合问题、中心磁滞回线关于原点不对称问题，并在不引入新非物理现象的基础上，提出一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法，所述的磁感应强度包括磁场强度H和磁化强度，所述磁化强度包括可逆磁化强度和不可逆磁化强度；采用改进的Jiles-Atherton模型计算不可逆磁化强度；所述改进的Jiles-Atherton模型中，针对负dM_irr/dH问题，提出一种新的不可逆磁化强度计算公式：

上述方程中，H_e为有效磁场强度；M_{irr_Cal}为不可逆磁化强度；M_an为无磁滞磁化强度；M_s为饱和磁化强度；k_p为正向损耗系数；k_n为反向损耗系数；δ为符号函数，满足δ＝sign(dH/dt)。

上述技术方案中，进一步地，针对中心磁滞回线关于原点不对称问题，提出一种新的模型缩放系数计算公式：

vf₁＝-2M_irr0/(M_{irr1_Cal}-M_irr0).

上述方程中，vf₁表征计算得到的模型缩放系数；M_irr0为历史磁场强度转折点的不可逆磁化强度；M_{irr1_Cal}为前述不可逆磁化强度公式计算的在有效磁场强度H_e1下的不可逆磁化强度。有效磁场强度H_e1满足条件：H_e1＝-H_e0，H_e0为历史磁场强度转折点的磁化强度。

进一步地，为了改善Jiles-Atherton模型对磁感应强度的估测精度，提出一种变参数计算公式，其中，无磁滞磁化曲线形状参数a、磁畴内部耦合平均场参数α、可逆磁化参数c随有效磁场强度H_e绝对值增大而增大：

上述方程中，a₀为初始磁畴内部耦合平均场参数；α₀为初始磁畴内部耦合平均场参数；c₀为初始可逆磁化参数；T_a为变磁畴内部耦合平均场参数时间常数；T_α为变初始磁畴内部耦合平均场参数时间常数；T_c为变初始可逆磁化参数时间常数。

进一步地，为了在线求解前述不可逆磁化强度计算公式、模型缩放系数计算公式、变参数计算公式，并实现磁滞回环不闭合问题在线修正、实现铁磁材料磁感应强度在线估测，提出一种在线堆栈模型。所述在线堆栈模型包括：历史转折点信息缓存器、缩放系数在线计算单元、Jiles-Atherton模型在线求解单元。其中，历史转折点信息缓存器在每个磁场强度转折点出现时记录该转折点下的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr，并且在满足磁滞回环闭合判断条件时将最近记录的历史转折点信息清除；缩放系数在线计算单元则基于历史转折点信息缓存器中的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr，根据计算公式实时计算模型缩放系数；Jiles-Atherton模型在线求解单元则基于所述缩放系数在线计算单元得到的缩放系数，修正所述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度，并求解所述变参数计算公式与Jiles-Atherton模型，从而可实现磁感应强度的在线计算。

进一步地，所述的历史转折点信息缓存器的工作方法为：

(1)每当检测到有效磁场强度变化方向发生变化时刻，即检测到磁场强度转折点，将磁场强度转折点的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr组成一组数据并记录到缓存器中；

(2)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，那么当实际有效磁场强度H_e满足条件H_e＝-H_e(1)时，清空缓存器中的所有数据；

(3)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，且数据总组数为n，那么当实际有效磁场强度H_e满足条件H_e＝H_e(n-1)时，清除缓存器中最新的两组数据[H_e(n-1),M_irr(n-1)]、[H_e(n),M_irr(n)]。

进一步地，所述的缩放系数在线计算单元的工作方法为：

(1)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，则采用前述模型缩放系数公式计算vf₁；

(2)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，且数据总组数为n，则采用传统模型缩放系数公式：

vf₂＝[M_irr(n-1)-M_irr(n)]/[M_{irr2_Cal}-M_irr(n)].

上述方程中，vf₂表征计算得到的传统模型缩放系数；M_{irr2_Cal}为前述不可逆磁化强度公式计算的在有效磁场强度H_e(n-1)下的不可逆磁化强度。

进一步地，所述的Jiles-Atherton模型在线求解单元的工作方法为：

(1)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，则采用所述模型缩放系数公式计算得到的vf₁，对所述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度M_{irr_Cal}进行修正：

M_irr＝vf₁×M_{irr_Cal}+(1-vf₁)×M_irr(1).

其中，M_irr为经过模型缩放系数修正后的不可逆磁化强度；M_irr(1)为所述历史转折点信息缓存器中的不可逆磁化强度。

(2)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，且数据总组数为n，则采用传统模型缩放系数公式计算得到的vf₂，对所述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度M_{irr_Cal}进行修正：

M_irr＝vf₂×M_{irr_Cal}+(1-vf₂)×M_irr(n).

其中，M_irr为经过模型缩放系数修正后的不可逆磁化强度；M_irr(n)为所述历史转折点信息缓存器中最新转折点的不可逆磁化强度；

(3)基于所述经过模型缩放系数修正后的不可逆磁化强度M_irr与所述变参数计算公式，求解磁感应强度：

其中，B是目标求解的铁磁材料磁感应强度；H为实际磁场强度；M是指实际磁化强度；M_rev为可逆磁化强度；c为所述变参数公式计算的可逆磁化参数；a为所述变参数公式计算的无磁滞磁化曲线形状参数；α为所述变参数公式计算的磁畴内部耦合平均场参数；μ₀为真空磁导率。

本发明的发明原理为：

首先，本发明通过提出新的不可逆磁化强度计算方程，确保dM_irr/dH_e始终为正值，又由于有效磁场强度对磁场强度变化率dH_e/dH为正值，从而解决不可逆磁化强度对磁场强度变化率dM_irr/dH可能为负值的问题。

其次，本发明通过提出新的变JA模型参数计算公式，可以调节JA模型在不同磁场强度下的计算结果，从而改善该JA模型的估测精度。

再者，本发明基于历史转折点的有效磁场强度与不可逆磁化强度以及该历史转折点关于原点对称的镜像点，提出新的模型缩放系数计算公式，从而修正所估测的有效磁场强度与不可逆磁化强度经过该镜像点，保证磁滞回线不同边沿的积分起始点沿原点对称。并且，所述JA模型不同边沿的积分公式同样沿原点对称。所以，在同时保证积分起始点与积分公式均沿原点对称的情况下，所估测得到的中心磁滞回线同样沿原点对称。

除此之外，本发明通过实时检测磁场强度变化率的符号是否突变，从而辨识磁场强度转折点。并且，本发明通过比较磁场强度瞬时值与历史磁场强度转折点的磁场强度，判断是否满足磁滞回线闭合条件，清除相应的历史转折点。进一步地，本发明基于历史磁场强度转折点数量，选择所采用的模型缩放系数计算公式，并计算相应的模型缩放系数。更进一步地，本发明基于所计算得到的模型缩放系数，在线修正前述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度，并在线求解前述变参数计算公式与JA模型，从而实现铁磁材料磁感应强度在线估测。

本发明的有益效果在于：

1、提出新的不可逆磁化强度计算公式，确保dM_irr/dH始终为正值，在解决负dM_irr/dH问题的同时，不会造成磁滞回线重叠。

2、提出新的变JA模型参数计算公式，可以改善磁感应强度的估测精度。

3、提出新的模型缩放系数计算公式，该方法仅需单个历史磁场强度转折点的有效磁场强度与不可逆磁化强度，可以确保中心磁滞回线关于原点对称。

4、提出在线堆栈模型，可以从磁场强度瞬时值与不可逆磁化强度瞬时值提取出必要信息，在线求解前述模型缩放系数计算公式、前述不可逆磁化强度公式、前述变参数计算公式与JA模型，实现铁磁材料磁感应强度在线估测。

附图说明

图1铁磁材料磁感应强度在线估测单元端口特性；

图2历史转折点信息缓存器工作示意图；

图3铁磁材料磁感应强度在线估测方法工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

图1为铁磁材料磁感应强度在线估测单元端口特性，其输入为铁磁材料磁场强度瞬时值H(t)，输出为铁磁材料磁感应强度瞬时值B(t)。

图2为在线堆栈模型中历史转折点信息缓存器工作示意图。该历史转折点信息缓存器的输入为有效磁场强度瞬时值H_e(t)、不可逆磁化强度瞬时值M_irr(t)，该历史转折点信息缓存器的输出为有效磁场强度数组H_e(n)、不可逆磁化强度数组M_irr(n)。该历史转折点信息缓存器工作原理为：

(1)每当检测到有效磁场强度变化方向发生变化时刻，即检测到磁场强度转折点，将磁场强度转折点的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr采样并记录到缓存器中；

(2)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，即数据总组数n＝1，那么当实际有效磁场强度H_e满足条件H_e(t)＝-H_e(1)时，清空缓存器中的所有数据；

(3)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，即数据总组数n>1，那么当实际有效磁场强度H_e满足条件H_e(t)＝H_e(n-1)时，清除缓存器中最新的两组数据[H_e(n-1),M_irr(n-1)]、[H_e(n),M_irr(n)]。

图3为铁磁材料磁感应强度在线估测方法工作示意图。其工作原理为：

(1)综合前述JA模型、前述变无磁滞磁化曲线形状参数a计算公式、前述变磁畴内部耦合平均场参数α计算公式，基于磁场强度瞬时值H(t)计算有效磁场强度瞬时值H_e(t)以及无磁滞磁化强度瞬时值M_an(t)：

上述方程中，a₀为初始磁畴内部耦合平均场参数；α₀为初始磁畴内部耦合平均场参数；T_a为变磁畴内部耦合平均场参数时间常数；T_α为变初始磁畴内部耦合平均场参数时间常数；M_s为饱和磁化强度；a为无磁滞磁化曲线形状参数；α为磁畴内部耦合平均场参数。

(2)基于步骤1计算得到的H_e(t)、M_an(t)，使用前述不可逆磁化强度公式计算不可逆磁化强度M_{irr_Cal}(t)：

上述方程中，k_p为正向损耗系数；k_n为反向损耗系数；δ为符号函数，满足δ＝sign(dH/dt)。

(3)基于上一时刻的H_e数组与M_an数组，采用前述模型缩放系数在线计算单元，计算相对应的模型缩放系数vf：

上述方程中，n为H_e数组内数据总数；当n＝1时，M_{irr_Cal}为步骤2方程在有效磁场强度-H_e0时的不可逆磁化强度；当n>1时，M_{irr_Cal}为步骤2方程在有效磁场强度H_e(n-1)时的不可逆磁化强度。

(4)基于步骤2得到的M_{irr_Cal}(t)、上一时刻的M_irr数组、步骤3得到的vf，缩放得到修正后的不可逆磁化强度瞬时值M_irr(t)：

M_irr(t)＝vf×M_{irr_Cal}(t)+(1-vf)×M_irr(n).

(5)基于步骤1计算得到的M_an(t)、步骤4得到的M_irr(t)，综合前述JA模型、前述变可逆磁化参数c计算公式，可以得到铁磁材料磁感应强度瞬时值：

上述方程中，c₀为初始可逆磁化参数；T_c为变初始可逆磁化参数时间常数；c为可逆磁化参数；M_rev为可逆磁化强度；M是指实际磁化强度；H为实际磁场强度；B是目标求解的铁磁材料磁感应强度；μ₀为真空磁导率。

其中，上一时刻的有效磁场强度H_e数组以及不可逆磁化强度M_irr数组可由历史转折点信息缓存器得到。

Claims (7)

1.一种铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，所述的磁感应强度包括磁场强度H和磁化强度，所述磁化强度包括可逆磁化强度和不可逆磁化强度；采用改进的Jiles-Atherton模型计算不可逆磁化强度；所述改进的Jiles-Atherton模型中，不可逆磁化强度的计算公式：

其中，H_e为有效磁场强度；M_{irr_Cal}为不可逆磁化强度；M_an为无磁滞磁化强度；M_s为饱和磁化强度；k_p为正向损耗系数；k_n为反向损耗系数；δ为符号函数，满足δ＝sign(dH/dt)。

2.根据权利要求1所述的铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，在所述改进的Jiles-Atherton模型中，将无磁滞磁化曲线形状参数a、磁畴内部耦合平均场参数α、可逆磁化参数c改为变参数计算公式：

其中，a₀为初始磁畴内部耦合平均场参数；α₀为初始磁畴内部耦合平均场参数；c₀为初始可逆磁化参数；T_a为变磁畴内部耦合平均场参数时间常数；T_α为变初始磁畴内部耦合平均场参数时间常数；T_c为变初始可逆磁化参数时间常数。

3.根据权利要求1所述的铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，在磁场强度幅值一致时，采用以下模型缩放系数计算公式：

vf₁＝-2M_irr0/(M_{irr1_Cal}-M_irr0).

其中，vf₁表征所述模型缩放系数计算公式计算得到的模型缩放系数；M_irr0为历史磁场强度转折点的不可逆磁化强度；M_{irr1_Cal}为所述不可逆磁化强度公式计算的在有效磁场强度H_e1下的不可逆磁化强度；有效磁场强度H_e1满足条件：H_e1＝-H_e0，H_e0为历史磁场强度转折点的磁化强度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，提出一种在线堆栈模型，包括：历史转折点信息缓存器、缩放系数在线计算单元、Jiles-Atherton模型在线求解单元；所述历史转折点信息缓存器在每个磁场强度转折点出现时记录该转折点下的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr；缩放系数在线计算单元则基于历史转折点信息缓存器中的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr，根据计算公式实时计算模型缩放系数；Jiles-Atherton模型在线求解单元则基于所述缩放系数在线计算单元得到的缩放系数，修正所述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度，并求解所述变参数计算公式与改进的Jiles-Atherton模型，从而可实现磁感应强度的在线计算。

5.根据权利要求4所述的铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，所述的历史转折点信息缓存器的工作方法为：

(1)每当检测到磁场强度转折点，将磁场强度转折点的有效磁场强度H_e与不可逆磁化强度M_irr组成一组数据并记录到缓存器中；

(2)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，那么当实际有效磁场强度H_e满足条件H_e＝-H_e(1)时，清空缓存器中的所有数据；

(3)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，且数据总组数为n，那么当实际有效磁场强度H_e满足条件H_e＝H_e(n-1)时，清除缓存器中最新的两组数据[H_e(n-1),M_irr(n-1)]、[H_e(n),M_irr(n)]。

6.根据权利要求4所述的铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，所述的缩放系数在线计算单元的工作方法为：

(1)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，则采用所述模型缩放系数公式计算vf₁；

(2)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，且数据总组数为n，则采用传统模型缩放系数公式：

vf₂＝[M_irr(n-1)-M_irr(n)]/[M_{irr2_Cal}-M_irr(n)].

其中，vf₂表征计算得到的传统模型缩放系数；M_{irr2_Cal}为所述不可逆磁化强度公式计算的在有效磁场强度H_e(n-1)下的不可逆磁化强度。

7.根据权利要求4所述的铁磁材料磁感应强度在线估测方法，其特征在于，所述的Jiles-Atherton模型在线求解单元的工作方法为：

(1)倘若历史转折点信息缓存器中只有一组数据[H_e(1),M_irr(1)]，则采用所述模型缩放系数公式计算得到的vf₁，对所述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度M_{irr_Cal}进行修正：

M_irr＝vf₁×M_{irr_Cal}+(1-vf₁)×M_irr(1).

其中，M_irr为经过模型缩放系数修正后的不可逆磁化强度；M_irr(1)为所述历史转折点信息缓存器中的不可逆磁化强度；

(2)倘若历史转折点信息缓存器中不止一组数据，且数据总组数为n，则采用传统模型缩放系数公式计算得到的vf₂，对所述不可逆磁化强度公式计算得到的不可逆磁化强度M_{irr_Cal}进行修正：

M_irr＝vf₂×M_{irr_Cal}+(1-vf₂)×M_irr(n).

其中，M_irr为经过模型缩放系数修正后的不可逆磁化强度；M_irr(n)为所述历史转折点信息缓存器中最新转折点的不可逆磁化强度；

(3)基于所述经过模型缩放系数修正后的不可逆磁化强度M_irr与所述变参数计算公式，求解磁感应强度：

其中，B是目标求解的铁磁材料磁感应强度；H为实际磁场强度；M是指实际磁化强度；M_rev为可逆磁化强度；c为所述变参数公式计算的可逆磁化参数；a为所述变参数公式计算的无磁滞磁化曲线形状参数；α为所述变参数公式计算的磁畴内部耦合平均场参数；μ₀为真空磁导率。

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