基于材料本构的旋转电机铁损精确计算模型研究

The iron loss is the research focus of scholars around the world, and its precise measurement and calculation means a lot for the performance analysis, optimization and evaluation of rotary machines. This project will make effort to establish a complete and multi-parameters calculation method of hysteresis/relaxation losses and eddy current losses in electrical steels based on phenomenological models as following: micro physical explanations of hysteresis/relaxation losses in electrical steels obtained by observations of the motion of magnetic domains, precise measurements of hysteresis curves and recoil curves under complex excitations, and finite element analysis of non-linear transient eddy current fields. Based on above, the calculation and measurement method of iron losses in rotary machines under various power supply conditions in real operation will be presented by taking armature reactions into account. Thus, a compact, physical compatible, complete and more precise theory of calculation, simulation and testing of iron losses in rotary machines is established, which lends support for industrial application of new, highly efficient, intelligent and advanced electrical machines and driving systems.

高精度的材料模型对于旋转电机的铁损分析以及整个电机系统的损耗与效率计算至关重要。本项目试图通过对磁畴运动的原位观测解释电工钢磁滞/弛豫损耗的微观物理本质，同时结合复杂激励条件下磁滞回线和回复线精确测量，以及非线性瞬变涡流场的有限元计算，形成更为完备精确的基于唯像模型的多维电工钢磁滞/弛豫损耗和涡流损耗的计算方法；进而实现计及电枢反应的复杂电源供电条件下实际工况旋转电机铁损的分布计算和精确测量。通过本项目研究，将构建更为物理自洽、系统完整、高效准确的旋转电机铁损计算、分析和试验仿真的理论体系，为更高效率、更高功率密度、更高集成度和更高可靠性的旋转电机及系统设计优化提供支撑。

提高铁芯损耗计算分析精度对电机、变压器和高低压电器的设计优化极为重要。对大量其他电力装备和科学仪器的研究与发展也有重要意义。本项目主要围绕电工钢的磁滞损耗开展研究，从理论与实验两个方面进行了一些探索。.在理论方面：本项目提出了一种非正弦激励下铁损的时域分析方法，分析了直流偏置对Steinmetz公式各个参数的影响，并针对大直流偏置高磁场饱和特性对SPG方法进行了改进。基于实验数据拟合研究得到了非正弦、直流偏置激励下磁场强度与磁感应强度以及直偏磁场的关系，建立了直偏磁场下的材料磁滞回线的唯象预测模型，并进而实现了直偏磁场下铁芯损耗的准确计算。.本项目还研究了基于磁网络的永磁同步电机建模及转子损耗计算。利用谐波分析、离散累加的方法计算了转子涡流损耗，分析了定子槽数对转子涡流损耗的影响，优化了转子不同部件涡流损耗的磁网络算法，提高了计算准确性，在此基础上利用磁网络方法大幅提高了电机空载和稳态特性计算和优化效率，满足了工程设计要求。.在实验方面：利用高精度可编程电源设计搭建了激励电压、频率、谐波含量、直流偏置量可调的电工钢圆圈测试平台，验证了铁损计算模型的准确性及其在电机中的适用性；发明了电机铁损的精确测试技术，搭建了测试平台。实验表明，本项目提出的损耗模型误差小于12%，优于传统的经验公式。.基于极低温超导量子干涉磁强计(SQUID)测量系统MPMS3开展了电工钢磁滞损耗的研究，得到只受巴肯豪森效应影响的B-H曲线，实现了磁滞损耗的精确测量，解决了传统铁损测试中无法将磁滞损耗和涡流损耗分离的难题。在此基础上建立了磁滞损耗的多维数据库，为更高效率、更高功率密度、更高集成度和更高可靠性的旋转电机设计优化提供了支撑。