一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法技术

本发明专利技术涉及方波磁滞回线分析计算技术，特别是公开了一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法，该方法包括如下步骤：步骤一，分析不同激励频率下平均磁通密度与磁场强度的解析关系，利用复数磁导率来表征不同频率下纳米晶材料的磁化特性；步骤二，建立不同频率正弦激励下涡流磁场的时域解析表达式；步骤三，采用傅里叶分析法建立了一种仅基于正弦测量数据的方波动态磁滞回线预测模型。本发明专利技术的有益效果是，能够有效的提升高频正弦及方波激励下动态磁滞回线的预测精度。励下动态磁滞回线的预测精度。励下动态磁滞回线的预测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法


[0001]本专利技术涉及磁滞回线的计算领域，特别是一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的快速发展以及智能电网和能源互联网发展的需要，纳米晶材料以其高磁导率、高磁通密度、低矫顽力等优点，广泛应用于电力电子变压器。变压器的高频化有助于提升其功率密度，有效减小其体积，从而适应各类电子设备小型化、轻量化的要求。然而，激励频率和波形的改变会对纳米晶材料的动态磁滞特性造成显著的影响，该特性对软磁材料的功率损耗、饱和磁通密度等其他特性起着决定性作用。因此，高频正弦和方波激励下纳米晶材料动态磁滞回线的精确预测对于电磁装置的宏观电磁特性表征、磁损耗计算和发热分析等至关重要。
[0003]迄今为止，国内外学者提出的磁滞回线预测模型可大致分为以下两类：（1）数值法类磁滞回线预测模型；（2）解析法类磁滞回线预测模型。其中，数值法类磁滞回线预测模型是将磁滞模型与电磁场扩散方程进行耦合，采用有限元法或有限差分法等数值计算方法模拟铁磁材料的磁滞回线，具有较高的模拟精度。但是，该方法在运行过程中会占用大量的计算时间和存储空间，且存在计算结果不收敛的问题。相比于数值法类，解析法类磁滞回线预测模型大多以场分离理论为基础，对磁滞效应、涡流效应及剩余效应独立计算并叠加，进而实现软磁材料磁滞回线的预测。该类预测模型具有较高的便捷性、实用性，是目前研究最多的一类磁滞回线预测模型。
[0004]解析类磁滞模型主要分为Preisach模型、J/>‑
A模型和Energetic模型，为使上述磁滞模型适用于不同工况下软磁材料的磁滞回线模拟，国内外专家学者进行了广泛的研究。针对传统Energetic磁滞模型仅适用于准静态条件下磁滞回线模拟的问题，本领域技术人员考虑了磁性材料在交流激励下动态涡流及剩余损耗对磁滞回线的影响，建立一种基于场分离技术与损耗统计理论的新型解析动态Energetic模型，实现了硅钢片材料在谐波工况下磁滞回线预测。本领域技术人员将模拟退火与Levenberg
‑
Marquardt智能算法相结合，提出了一种新的全局寻优算法，实现了磁滞模型参数的准确快速辨识。本领域技术人员还将Preisach、J
‑
A磁滞模型与损耗分离理论相结合实现了硅钢片材料在直流偏磁工况下的损耗求解，并获得了良好的计算精度。基于损耗分离理论，还可将磁滞模型与电路模型相结合，建立了方波及矩形波激励下的磁滞回线预测模型。此外，本领域技术人员将分数阶理论应用于涡流磁场建模中，实现了超薄硅钢在高频正弦激励下的动态磁滞回线模拟。相比于整数阶，分数阶具有时间记忆性和全局相关性的特点，在高频涡流磁场的建模中具有独特的优势。
[0005]综上所述，现有的模型主要针对在正弦、谐波、直流偏磁等工况下硅钢片材料的磁滞回线模拟，而对纳米晶材料在高频正弦和方波激励下磁滞回线预测模型的研究较少。并且，大多数动态磁滞回线预测模型都是在铁磁材料内部磁通密度均匀分布的假设条件下建
立的，故无法考虑方波中高频谐波分量对动态磁滞回线的影响。因此，采用经典的动态磁滞回线建模方法在高频正弦及方波激励下的预测精度较差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决上述问题，设计了一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法。
[0007]实现上述目的本专利技术的技术方案为，一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法，该方法包括如下步骤：步骤一，分析不同激励频率下平均磁通密度与磁场强度的解析关系，将平均磁通密度与磁场强度的比值作为相对复数磁导率来表征不同频率下纳米晶材料的磁化特性；步骤二，将椭圆等效理论与考虑高频趋肤效应的涡流损耗计算公式相结合，建立不同频率激励下涡流磁场的时域解析表达式；步骤三，分析方波激励中高频谐波分量对动态磁滞回线的影响，采用傅里叶分析法建立了方波激励下的动态磁滞回线预测模型，从而实现仅基于正弦测量数据来预测方波激励下的动态磁滞回线。
[0008]所述步骤一中分析不同激励频率下平均磁通密度与磁场强度的解析关系的过程是：利用静态Energetic磁滞模型的解析式来表征铁磁材料内部磁通密度与磁场强度之间的关系：
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(1)
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(2)
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(3)式（1）表征铁磁材料的线性特征；式（2）表征材料的非线性特征；式（3）项描述材料的磁滞效应；式中，H为铁磁材料实际磁场强度，H
d
为退磁场强度，H
r
为可逆磁场强度，H
i
为不可逆磁场强度；将铁磁材料内部的磁场强度H分为三项：磁滞损耗对应的磁场强度H
hys
，涡流损耗对应的磁场强度H
eddy
，异常损耗对应的磁场强度H
ex
：
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(4)式中H
hys
能够由静态Energetic磁滞模型的解析式计算得到；在趋肤效应忽略不计，铁磁材料内部磁通密度均匀分布的假设条件下，基于Maxwell方程组可建立涡流磁场强度H
eddy
(t)与平均磁通密度B
av
(t)之间的关系表达式：
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(5)式中，σ为材料电导率，d为材料叠片厚度；在Bertotti损耗统计理论基础之上，基于内部阻碍场平均分布假设，建立的异常效应预测模型，如式(6)所示：
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(6)式中，G=0.1356，为无量纲常数，S为磁芯横截面积，V0(B
m
)为与材料内部磁性单元有关的统计参数，δ
B
=sgn(dB/dt)为符号参数；基于场分离理论，将涡流效应和剩余效应所产生的磁场强度引入静态Energetic模型中，即可建立动态Energetic磁滞模型表征方程： (7)。
[0009]所述步骤一中复数磁导率的推导是假设材料内部各场量仅沿y轴方向变化，在纳米晶材料一维模型的基础上，根据麦克斯韦方程组建立H(y,t)的扩散方程，该扩散方程为：
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(8)将时域边界条件H(
±
d,t)=H0e
jωt
带入式(8)求解，可得：
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(9)式中，γ为传播常数，其与趋肤深度有关，即：
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(10)
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(11)式中，μ
z
(B
m
)为不同磁通密度下轧制方向的相对磁导率，σ为材料的电导率，纳米晶材料内部的平均磁通密度为：
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(12)因此，可以得到铁磁材料沿轧制方向上具有频变特性的相对复数磁导率为：
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(13)。
[0010]所述步骤二中建立不同频率激励下涡流磁场的时域解析表达式的过程为：对式（7）进行改进，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一，分析不同激励频率下平均磁通密度与磁场强度的解析关系，将平均磁通密度与磁场强度的比值作为复数磁导率来表征不同频率下纳米晶材料的磁化特性；步骤二，将椭圆等效理论与考虑高频趋肤效应的涡流损耗计算公式相结合，建立不同频率正弦激励下涡流磁场的时域解析表达式；步骤三，分析方波激励中高频谐波分量对动态磁滞回线的影响，采用傅里叶分析法建立了方波激励下的动态磁滞回线预测模型，从而实现仅基于正弦测量数据来预测方波激励下的动态磁滞回线。2.根据权利要求1所述的一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法，其特征在于，所述步骤一中分析不同激励频率下平均磁通密度与磁场强度的解析关系的过程是：利用静态Energetic磁滞模型的解析式来表征铁磁材料内部磁通密度与磁场强度之间的关系：
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(1)
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(2)
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(3)式（1）表征铁磁材料的线性特征；式（2）表征材料的非线性特征；式（3）项描述材料的磁滞效应；式中，H为铁磁材料实际磁场强度，H
d
为退磁场强度，H
r
为可逆磁场强度，H
i
为不可逆磁场强度；将铁磁材料内部的磁场强度 H 分为三项：磁滞损耗对应的磁场强度H
hys
，涡流损耗对应的磁场强度H
eddy
，异常损耗对应的磁场强度H
ex
：
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(4)式中H
hys
能够由静态Energetic磁滞模型的解析式计算得到；在趋肤效应忽略不计，铁磁材料内部磁通密度均匀分布的假设条件下，基于Maxwell方程组可建立涡流磁场强度H
eddy
(t)与平均磁通密度B
av
(t)之间的关系表达式：
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(5)式中，σ为材料电导率，d为材料叠片厚度；在Bertotti损耗统计理论基础之上，基于内部阻碍场平均分布假设，建立的异常效应预测模型，如式(6)所示：
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(6)
式中，G=0.1356，为无量纲常数，S为磁芯横截面积，V
0 (B
m
)为与材料内部磁性单元有关的统计参数，δ
B
=sgn(dB/dt)为符号参数；基于场分离理论，将涡流效应和剩余效应所产生的磁场强度引入静态Energetic模型中，即可建立动态Energetic磁滞模型表征方程： (7)。3.根据权利要求1所述的一种考虑高频谐波分量影响的方波磁滞回线计算方法，其特征在于，所述步骤一中复数磁导率的推导是假设材料内部各场量仅沿y轴方向变化，在纳米晶材料的一维模型的基础上，根据麦克斯韦方程组建立H(y,t)的扩散方程，该扩散方程为：
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(8)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志刚，贾慧杰，姬俊安，陈天缘，刘朝阳，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：