模拟服役条件下电工磁材料磁特性测试及混合矢量磁滞模型研究

The magnetic properties of the core materials widely used in power transformers, electric motors and other electrical equipment are mostly measured under single operating condition. Although meeting the design requirements of the power level, it results in some problems, such as high consumption, low power density and low efficiency, inevitably. An effective way to improve the performance and efficiency of electrical equipment is to achieve the service magnetic properties accurate measurement and modeling under multi working conditions of the core materials. This project aims to further study the presenting multi-condition service magnetic properties of the electromagnetic materials under variable operating conditions such as temperature, stress, DC bias harmonics, and frequency. Magnetic properties measurement method with multi external control units is proposed and a complicated experimental device is developed in this project. Comprehensive magnetic properties sensing, measurement, parameter identification and data visualization under simulated service conditions are also involved. Meanwhile, the comprehensive magnetic properties database of widely used magnetic materials will be built. Considering the micro-magnetic modeling mechanism and simulating the service characteristics of the magnetic materials under complicated working conditions, multi-condition-dependence Hybrid Vector Hysteresis models and core loss model can be built. It provides the engineering actual basic data and magnetic properties model for the multi-physics coupling calculation with electromagnetics, stress and temperature field, and optimization design of the electrical equipment cores. The problem of electromagnetic calculation inaccuracy of magnetic circuit design and loss prediction in a single physical field can be solved.

电力变压器、电机等电工装备铁心广泛采用的材料磁特性大多是在单一条件下测得，在满足功率等级的设计要求时必然造成耗材多、功率密度低、效率低等问题。提高电工装备工作性能和运行效率并降低能耗的有效途径是解决铁心材料服役条件下磁特性准确测量和考虑多种工况因素的磁特性建模等问题。本项目对电工磁材料在温度、应力、直流偏磁、谐波、频率等可变条件下呈现的多工况服役磁特性进行深入研究。提出多外施条件加载控制的磁特性检测方法并研制服役磁特性测试装置，开展模拟服役条件下磁特性传感、测量、参数辨识与数据可视化研究，对广泛应用的电工磁材料构建全面的磁特性数据库；考虑微磁学建模机理，模拟磁材料在工况中的服役特性，建立多条件依赖型的混合矢量磁滞模型和损耗模型；为电工装备铁心电磁、应力和温度场的多场耦合计算和优化设计提供更符合工程实际的基础数据和材料磁特性模型，解决单一物理场磁路设计及损耗预测在装备电磁计算中不准确的问题。

电力变压器、电机等电工装备铁心材料磁特性大多是在单一条件下测得，在满足功率等级的设计要求时必然造成耗材多、功率密度低、效率低等问题，并且其应用的特殊工况极大地增加了电磁场问题的复杂程度，与较低电压和容量装备相比对辅助分析和设计的有效性提出了更高的要求。大型电工装备的铁心部件作为直接影响装备性能的最关键部分，其模拟计算的准确性很大程度上依赖于场域中磁介质电磁特性参数。因此，提高电工装备工作性能和运行效率并降低能耗的最有效途径是解决铁心材料综合磁特性的准确测量和考虑多种工况因素的特性建模等问题。.针对电工装备运行时的实际工况，对多种电工磁材料提出了加载不同服役条件下的综合磁特性检测技术方案，可实现不同温度、应力加载及非正弦激励条件下磁特性的全面测试；实现了电工材料低-中-高频模拟服役条件下的二、三维旋转磁特性微小信号采集、高精密传感及反馈控制，同时对测试平台的磁路结构、绕组结构、加温-控温-保温方式均做了许多创新性的设计；建立了考虑各种复杂服役工况的软磁材料磁性能数据库，为电工装备的设计优化提供数据支撑；提出了一种可以准确的模拟谐波加载条件下的动态磁滞模型，并结合突变理论提出一种建立二维矢量磁滞模型的方法，为应用磁滞模型解决工程实际问题提供了新思路和理论参考。建立了干式变压器磁-热-力多场耦合计算模型，有效计算了热点及电磁应力点分布，为优化电磁结构设计以及散热方法设计提供可行性方案。.按照计划书要求，已完成全部研究任务，为电工装备铁心电磁、应力和温度场的多场耦合计算和优化设计提供了更符合工程实际的基础数据和材料磁特性模型，解决了单一物理场磁路设计及损耗预测在装备电磁计算中不准确的问题，为电工装备节能降耗提供解决方案。以本项目为基础，拓展研究了非晶、纳米晶、超薄硅钢等新型磁材料的高频磁特性以及模拟多工况服役条件下的综合磁特性，为新能源电工装备高频化应用提供材料模型和设计依据。