考虑磁畴壁移动的异常涡电流损分析方法研究

From the aspect of energy-saving, it is necessary to analyse the iron losses acurately during the design and development of high efficiency electric machines. This study focus on a physical model which implies the relation between the structure of magnetic domain and anomalous eddy current losses. Applying this model, the anomalous eddy current loss caused by the displacement of magnetic domain wall can be calculated more acurately for the iron losses analyses in invertor driven electric machines. In order to verify the practicability and accuracy of the physical model, the calculation of the anomalous eddy current loss considering the displacement of magnetic domain wall is performed to analyse the iron losses of an experimental reactor driven by invertor.

整个研究的总体构思是从节能的角度出发，使用具有更高精度的基于磁场分析的铁损计算开发和设计高性能电气设备，从而进一步提高电气设备的效率。本研究针对由逆变器电源驱动的电气设备铁损增加的主要因素之一，由于磁畴壁移动而产生的异常涡电流损，运用一种考虑磁畴壁移动的物理模型明确磁畴构造和异常涡电流损的关系，并提高铁损分析的准确性。最终通过这种建模分析方法对由逆变器电源驱动的电抗器模型进行分析，确定其有效性和实用性。

为了开发更能效的电工硅钢和应用硅钢作为铁心的电气设备,研究硅钢在高频下的附加损耗是十分必要的。本研究使用基于有限元法的高精度磁场解析模型对电工硅钢的磁畴和磁畴壁及其在磁化过程中的移动进行建模，并在此基础上根据磁场解析的结果对取向性和非取向性硅钢的异常涡电流损耗分别进行了评价。为验证该模型在电机的铁损分析计算应用中的有效性，本研究试制了一台实验电抗器，将该电抗器的铁损实测值与考虑磁畴壁移动的异常涡电流损模型计算铁损值进行了比对。比对结果显示 2000 Hz 以下的谐波造成的附加损耗与计算值之间的误差在5%以内。在本研究中，引起异常涡电流损的主要因素被归纳为磁通在磁畴结构中的渗透深度减弱和由于杂质和缺欠等引起的磁畴壁移动过程中的钉扎效应。针对由于钉扎效应产生的磁畴壁移动过程中的弯曲现象，本研究提出了描述磁畴壁弯曲程度的一个参数DWBD（磁畴壁弯曲度），并发现该参数同时受磁通渗透深度和钉扎效应影响。通过非线性涡流场分析计算的结果，我们获得了磁畴壁弯曲度的数值，并发现异常涡电流损与磁畴壁弯曲度在数值上存在指数函数关系。根据拟合得到的公式，我们计算了50 Hz 至 2000 Hz 下取向电工硅钢的异常涡电流损并用实测铁损值进行验证。该方法可以简便地应用于含谐波的激励的铁心铁损计算场合。.另一方面，非取向硅钢的磁畴结构与取向硅钢存在很大区别，并且对于非取向硅钢的磁畴在磁化过程中的行为研究甚少。为了分析如逆变器电源驱动的电机等使用非取向硅钢的电气设备铁心在谐波下铁损增加的主要因素，我们针对非取向硅钢中更显著的钉扎效应修正了取向硅钢的磁畴模型。通过在修正模型中加入反映同时考虑了磁通的趋肤效应和磁畴壁的钉扎效应的算法，形成趋肤效应和钉扎效应两种现象在模型中相互耦合。修正模型中的铁损直接根据磁通和涡电流分布结果计算得到，包含了磁滞损耗，经典涡电流损和异常涡电流损。将该模型应用于2种不同型号的非取向硅钢，计算结果的误差均在2%以内。最后使用该建模分析方法对由逆变器电源驱动的电抗器模型进行分析，确定了其有效性和实用性。