宽频非正弦激励下铁磁材料损耗分离模型研究

作     者：林琪铭 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵志刚

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：铁磁材料 损耗分离 涡流损耗 磁导率 宽频 

摘      要：近年来,随着磁芯材料与功率半导体器件的高速发展,各类电能变换装置的开关频率显著提升。变压器作为电能变换装置中的核心器件,高频化在有效提升其功率密度,减小其体积的同时,也令其损耗和温升问题更为突出。因此,考虑到各类装置结构优化与散热设计的需要,对高频变压器中关键元件的磁化特性及损耗特性进行准确表征具有重要意义。由于通常与各类电力电子拓扑配合运行,高频变压器往往工作在以方波为代表的非正弦激励环境,传统应用于工频、正弦激励工况的磁损耗计算方法不再适用。为此,本文以损耗分离模型为基础,针对铁磁材料在宽频、非正弦激励下的磁损耗预测问题展开深入研究。主要工作内容如下:(1)基于爱泼斯坦方圈法,自主搭建磁通密度波形可控的宽频磁特性测试系统,对电工钢在不同频率正弦及方波激励下的磁性能进行测量,为后续铁磁材料损耗计算方法研究提供必要的数据支撑。(2)依据损耗分离理论,将铁磁材料磁损耗分为磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗三项分别进行计算。并在Berttotti经典损耗分离模型的基础上,通过求解麦克斯韦方程组推导考虑趋肤效应影响的涡流损耗计算方法,以得到适用于正弦激励工况的经典宽频损耗分离模型。(3)针对经典涡流损耗计算方法对铁磁材料磁化特性考虑不完善,导致其在较高频率下高估趋肤效应影响的问题,分别基于有限元法以及场分离法,研究动态磁化过程中,非线性特性及动态磁滞特性对铁磁材料在不同频率下等效磁导率的影响。并在此基础上引入一种随频率变化的磁导率用于表征铁磁材料的B-H本构关系以进行宽频磁损耗计算,从而得到考虑动态磁化特征的改进宽频损耗分离模型。(4)以方波为例,对铁磁材料在非正弦激励下的宽频损耗特性展开研究,引入正弦趋肤效应因子、方波趋肤效应因子描述两种波形激励下涡流损耗受趋肤效应的影响程度。分别基于实验数据与经典宽频损耗分离模型获取材料在不同频率下的趋肤效应因子,并针对两种方法的结果差异深入分析非线性特性与动态磁滞特性对不同波形激励下铁磁材料涡流损耗特性的影响。(5)基于损耗分离理论与宽频磁特性测量结果,探究铁磁材料宽频正弦与方波磁损耗之间的关系及其表征方法,并将其与正弦激励下的改进宽频损耗分离模型结合,从而实现宽频方波激励下的磁损耗准确、快速计算。