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多目标差分进化算法改进与电工钢片磁致伸缩模型参数辨识

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中国电机工程学报 2022年

作者：陈昊李琳王亚琦刘洋新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 先进输电技术国家重点实验室(智能电网研究院有限公司)

准确且高效地辨识电工钢片磁致伸缩模型参数是模型在变压器铁心振动分析中的应用前提。针对现有单目标优化算法不能兼顾参数辨识精度和速度的问题，本文基于改进Jiles-Atherton-Sablik和Energetic模型相结合的磁致伸缩模型，将该模型的... 详细信息

准确且高效地辨识电工钢片磁致伸缩模型参数是模型在变压器铁心振动分析中的应用前提。针对现有单目标优化算法不能兼顾参数辨识精度和速度的问题，本文基于改进Jiles-Atherton-Sablik和Energetic模型相结合的磁致伸缩模型，将该模型的参数辨识转换为多目标优化问题。以磁滞回线和磁致伸缩曲线的均方根误差作为待优化的两个目标，建立参数辨识的多目标优化数学模型。基于该模型，从控制参数自适应技术、变异算子改进策略以及选择算子改进策略三方面对多目标差分进化算法进行改进，从而提出一种采用改进多目标差分进化算法的磁致伸缩模型参数辨识方法。通过与现有方法对比，本文方法的磁滞回线求解精度提升17.84%，磁致伸缩曲线求解精度提升13.60%，辨识速度提升41.57%。

关键词：电工钢片磁致伸缩模型参数辨识改进的多目标差分进化算法改进的Jiles-Atherton-Sablik模型 Energetic磁滞模型

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服役条件下取向硅钢磁致伸缩模型的研究

电工技术学报 2020年第19期35卷 4131-4138页

作者：祝丽花李晶晶朱建国天津工业大学电气工程与自动化学院天津300387 悉尼科技大学工程与信息技术学院悉尼NSW2000

硅钢片的磁致伸缩效应是变压器等电力装备本体振动噪声的主要原因。为了准确地建立取向硅钢磁致伸缩模型,依据硅钢磁畴旋转特性,引入磁畴旋转相关参数k1,对J-A模型进行改进;在此基础上,结合二次畴转模型建立取向硅钢的磁致伸缩模型,并... 详细信息

硅钢片的磁致伸缩效应是变压器等电力装备本体振动噪声的主要原因。为了准确地建立取向硅钢磁致伸缩模型,依据硅钢磁畴旋转特性,引入磁畴旋转相关参数k1,对J-A模型进行改进;在此基础上,结合二次畴转模型建立取向硅钢的磁致伸缩模型,并用粒子群优化算法(PSO)提取模型中的多个参数。考虑电力变压器服役环境的影响,该文分别在理想正弦,含谐波、直流偏磁不同条件下开展了取向硅钢磁致伸缩特性分析。结果表明在三种不同状态下,建立的模型计算结果与实验测量的磁致伸缩特性结果具有较好的一致性。该文建立的磁致伸缩模型可应用于取向硅钢在服役条件下磁致伸缩特性模拟。

关键词： J-A模型取向硅钢磁致伸缩模型服役条件粒子群优化算法

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基于改进神经网络算法的交变磁化下磁致伸缩模型研究

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基于改进神经网络算法的交变磁化下磁致伸缩模型研究

作者：周航沈阳工业大学

学位级别：硕士

电力变压器铁心和电机的定子铁心分别由取向硅钢片和无取向硅钢片堆叠而成,而这两种硅钢片的磁致伸缩会引起铁心的振动噪声,从而减少电工设备的使用寿命并影响人们的生活健康。因此,准确的测量与模拟硅钢片的磁致伸缩特性是研究变压器... 详细信息

电力变压器铁心和电机的定子铁心分别由取向硅钢片和无取向硅钢片堆叠而成,而这两种硅钢片的磁致伸缩会引起铁心的振动噪声,从而减少电工设备的使用寿命并影响人们的生活健康。因此,准确的测量与模拟硅钢片的磁致伸缩特性是研究变压器和电机铁心振动噪声必不可少的先行工作。考虑到现有的磁致伸缩模型的研究大多基于复杂多项式拟合的方法,其不足是公式的推导过程较为复杂且需要拟合的参数过多。本文对交变磁场下取向和无取向硅钢片的磁致伸缩特性进行测量,并以取向硅钢片的磁致伸缩测量数据为基础,建立了改进型神经网络算法的磁致伸缩模型,通过单相变压器铁心实验验证了模型的准确性。具体的研究内容包括:首先,在交变磁场下,利用实验室现有的基于三轴应变片的磁致伸缩测量系统,对取向和无取向硅钢片磁致伸缩特性进行测量,并计算了磁致伸缩主应变的大小和方向。对比分析了两种硅钢片在交变磁场下磁致伸缩的共性和异性,并对两种硅钢片的磁致伸缩的各向异性进行了验证。其次,以交变磁场下测量的取向硅钢片的磁致伸缩数据为基础,建立了基于梯度下降法的传统Back Propagation(BP)神经网络的磁致伸缩模型,模型的输入为x和y两个方向上磁通密度的完整波形,输出为磁致伸缩的主应变大小及其方向波形。并指出传统的基于梯度下降法的BP算法的神经网络在建立的磁致伸缩模型应用中的缺点,其缺陷为网络的计算速度过慢且容易陷入局部最优解。再次,针对基于梯度下降法传统的BP算法进行改进。使用粒子群算法(PSO)优化了BP神经网络(BPNN)的初始权阈值,从而避免了网络在训练过程中容易陷入局部最优解的问题;利用Levenberg Marquardt(LM)算法代替梯度下降法对网络进行训练,大幅度提高了网络的计算速度。之后利用改进型BP神经网络重新对磁致伸缩进行建模,并以不在训练集中的15个磁致伸缩测量样本给出了模型的精度范围。最后,设计并制作了单相变压器铁心实验模型,测量了铁心上三个不同位置上的磁致伸缩特性,并用测量值与模型计算值进行对比,验证了建立的磁致伸缩模型在交变磁场下的准确性,为以后研究变压器铁心的振动噪声问题提供了参考。

关键词：神经网络磁致伸缩模型交变磁场硅钢片主应变

基于J-A磁滞模型硅钢片磁致伸缩模型的研究

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基于J-A磁滞模型硅钢片磁致伸缩模型的研究

作者：李晶晶天津工业大学

学位级别：硕士

当前,对于磁性材料的磁滞模型研究越来越多,但是对于铁心硅钢片的磁致伸缩特性模型研究并不成熟,且国内外没有统一的标准,仍是一个亟需解决的问题。硅钢片的磁致伸缩是导致电气装备铁心产生振动噪声的主要原因。为了分析硅钢片产生磁致... 详细信息

当前,对于磁性材料的磁滞模型研究越来越多,但是对于铁心硅钢片的磁致伸缩特性模型研究并不成熟,且国内外没有统一的标准,仍是一个亟需解决的问题。硅钢片的磁致伸缩是导致电气装备铁心产生振动噪声的主要原因。为了分析硅钢片产生磁致伸缩的机理与本质,从而降低变压器等电工装备铁心的振动噪声,本文开展了不同服役条件下硅钢片磁致伸缩特性的研究,具有重要的理论和现实意义。本文研究内容主要包括以下几个方面:一、磁特性测量:基于磁致伸缩测量系统测得无取向硅钢样片与取向硅钢样片的B-H磁滞回线与λ-H磁致伸缩回线等重要数据。另外,对无取向硅钢样片进行了沿平行轧制和垂直轧制两个方向上的磁特性测量,分析了无取向硅钢样片的磁致伸缩各向异性。这些工作为变压器等电工装备振动噪声的数值计算提供详细、准确的数据。二、磁致伸缩模型建立:通过对实验结果进行分析,基于磁畴运动机理,引入与磁畴旋转相关参数k,将传统的J-A磁滞模型进行改进,并结合二次畴转模型,推导得到了适用于硅钢片的磁致伸缩模型。将模型应用于理想正弦、直流偏磁与谐波影响三种不同工作条件,进行模型的验证。三、模型参数确定:在磁滞回线的特殊点上分析确定了模型中的参数意义。应用粒子群优化算法对磁致伸缩模型参数M,a,α,c,k,k,λ进行辨识,使模型计算精度更高。将求解得到的参数带入模型,分别计算在正弦激励下、直流偏磁干扰以及谐波影响下硅钢片的磁滞回线与磁致伸缩回线。选取的硅钢片型号分别为无取向硅钢样片1820518001、取向硅钢样片18221955047和B27R085。四、模型验证:将不同服役条件下模型计算结果与测量结果进行对比,无取向硅钢样片与取向硅钢样片的磁滞回线与磁致伸缩回线的吻合度较高,且磁致伸缩响应误差均不超过2%。表明本文建立的模型可以准确描述硅钢片的磁特性,对其磁致伸缩特性具有广泛的适用性。本文所提出的磁致伸缩模型基于改进的J-A磁滞模型,结合描述磁致伸缩λ与磁化强度M关系的二次畴转模型建立了适用于硅钢片的磁致伸缩模型。此模型可以很好地预测硅钢片的磁致伸缩特性,对易于测量磁化特性而难以测量磁致伸缩特性的工况提供了具体的理论分析方法以及数据支持,为后续建立变压器铁心的振动模型打下了坚实的基础。

关键词：磁致伸缩模型硅钢片磁畴 J-A模型粒子群优化算法振动噪声

考虑材料磁致伸缩特性的铁心电抗器振动特性分析及分层优化策略

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高电压技术 2024年

作者：袁发庭张仁杰颜智威胡琛唐波丁璨三峡大学输电线路工程技术研究中心(三峡大学) 三峡大学电气与新能源学院国网江西省电力有限公司供电服务管理中心

为了有效降低铁心电抗器的振动，文章提出了一种考虑材料磁致伸缩特性的铁心电抗器振动优化方法。首先，基于经典J-A模型和二次畴转理论，建立考虑应力的磁致伸缩改进模型，并采用PSO-SA算法对改进模型特征参数进行辨识，辨识后的均方... 详细信息

为了有效降低铁心电抗器的振动，文章提出了一种考虑材料磁致伸缩特性的铁心电抗器振动优化方法。首先，基于经典J-A模型和二次畴转理论，建立考虑应力的磁致伸缩改进模型，并采用PSO-SA算法对改进模型特征参数进行辨识，辨识后的均方根误差不超过3.5，验证了其准确性；然后，建立铁心电抗器电磁场-结构力场仿真模型，计算得到铁心电抗器磁场和振动分布；基于多物理场计算和拉丁超立方抽样试验方法，结合灵敏度分析技术，获得各参数对振动的影响规律，并对优化目标和变量进行分层；最后，采用RSM法和Kriging法对铁心电抗器的参数进行优化设计，获得不同方法下的铁心电抗器最佳结构参数。研究结果表明：相比于初始参数，采用RSM和Kriging优化方法下铁心最大振动位移分别降低了13.93%和24.64%；且损耗和金属导体用量也明显减小。因此，在保证铁心电抗器性能参数满足要求的前提下，采用Kriging优化方法能够显著降低铁心电抗器的振动位移，为铁心电抗器的减振优化提供重要的指导意义。

关键词：铁心电抗器磁致伸缩模型 RSM模型 Kriging模型分层优化设计振动优化

考虑硅钢片磁致伸缩特性的干式铁芯电抗器铁芯振动分析及优化

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高电压技术 2023年第4期49卷 1486-1494页

作者：袁发庭姬睿氢吕凯刘健犇陈步康唐波湖北省输电线路工程技术研究中心(三峡大学) 宜昌443002 三峡大学电气与新能源学院宜昌443002 电网环境保护国家重点实验室武汉430074

铁芯电抗器振动的主要原因包括铁芯的麦克斯韦力及硅钢片的磁致伸缩效应。为了准确地建立硅钢片磁致伸缩模型,基于Jiles-Atherton磁滞模型,并根据软磁材料的二次畴转模型理论,建立铁磁材料磁致伸缩模型,采用自适应模拟退火(adaptive sim... 详细信息

铁芯电抗器振动的主要原因包括铁芯的麦克斯韦力及硅钢片的磁致伸缩效应。为了准确地建立硅钢片磁致伸缩模型,基于Jiles-Atherton磁滞模型,并根据软磁材料的二次畴转模型理论,建立铁磁材料磁致伸缩模型,采用自适应模拟退火(adaptive simulated annealing,ASA)算法提取模型中的多个参数。在确定磁致伸缩模型有效性的基础上,利用多物理场仿真软件构建考虑磁致伸缩模型的干式铁芯电抗器振动计算模型,分析铁芯电抗器铁芯的振动分布特点,结合拉丁超立方抽样实验方法与Kriging模型建立能够准确预测铁芯振动位移的优化模型,在均衡铁芯电抗器电磁及振动特性的情况下使得铁芯上的金属导体用量最小化,获得电抗器铁芯的最佳结构。并对比分析优化前后电抗器模型的特性,优化数据显示,电抗器铁芯部分的金属导体用量相较于优化前降低9.21%,且此时的电感仅改变了0.31%,同时优化后铁芯振动减少18.18%,满足电抗器电磁及振动要求。

关键词： Jiles-Atherton磁滞模型磁致伸缩模型 Kriging模型自适应模拟退火算法铁芯电抗器优化设计

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介观尺度下基于磁畴能量最小化原理的磁特性模型研究

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介观尺度下基于磁畴能量最小化原理的磁特性模型研究

作者：张文杰沈阳工业大学

学位级别：硕士

随着电网中的负荷变得越来越复杂,电力系统中的变压器将会经常工作在非标准的工况下。由于存在缺少对磁性材料磁化机理研究和应用的问题,导致常用的磁特性模型在模拟工况下变压器的磁特性时精确度受到很大影响。通过对磁化过程中磁畴运... 详细信息

随着电网中的负荷变得越来越复杂,电力系统中的变压器将会经常工作在非标准的工况下。由于存在缺少对磁性材料磁化机理研究和应用的问题,导致常用的磁特性模型在模拟工况下变压器的磁特性时精确度受到很大影响。通过对磁化过程中磁畴运动的观测,很多学者指出磁性材料的磁化过程与磁畴畴壁的运动密切相关。近年来,国外学者开始尝试将微观的磁畴磁化机理融入到宏观的磁特性模型建立过程中。从而提出了基于磁畴能量的模型,为正确模拟工况条件下磁性材料的磁特性做出了宝贵的探究。在本文中,当磁场强度变化时,通过磁光克尔效应磁畴观测仪,观察了磁性材料的磁畴畴壁运动过程。在理解并分析现有磁畴能量物理模型基础上,并且应用微磁学理论推导出能量公式,建立起包含有多种磁畴能量的磁特性模型。并且应用总能量局部最小化的原理得到模型的磁化状态,求出磁畴在体积以及磁矩方向上的变化。通过实验测量得到模型所需要的参数,最后模拟出材料的磁特性曲线。并且与实验测量数据进行对比分析,验证模型的准确性,为磁特性物理模型的进一步研究打下基础。其主要研究内容有:第一步,利用先进的磁光克尔效应磁畴观测仪观察了磁性材料在磁化过程中磁畴的运动,为磁畴能量模型的建立提供事实支撑。并且应用实验室中的磁致伸缩测量仪对样片的磁特性进行测量,为模型所需参数的确定提供测量数据。第二步,建立了基于磁畴能量最小化的磁滞模型。用多个包含有6个磁畴的磁畴单元模型细化铁磁材料微观结构,推导了模型所含的总能量计算公式,在满足总磁能最小的条件下,通过计算机编程,经过多次迭代计算得到电工钢片材料的磁化状态向量,再通过对磁滞公式的求解得到了基于磁畴能量最小化的磁滞模型。通过与实验测量数据的比较,得到该磁滞模型的精度,对存在的误差进行了分析。最后,建立了基于磁畴能量最小化的磁致伸缩模型。通过实验测量数据获取了磁致伸缩模型模拟所需要的参数,然后同样采用能量最小化原理得到材料的磁化状态向量,通过多次迭代计算出材料的磁致伸缩,从而建立起了材料的磁致伸缩模型。通过与实验测量数据的比较,反映出该磁致伸缩模型可以模拟出材料的磁致伸缩曲线。

关键词：磁滞模型磁致伸缩模型能量最小化磁畴电工钢片

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高频变压器的磁致伸缩特性与振动噪声分析

高频变压器的磁致伸缩特性与振动噪声分析

作者：周晓雨天津工业大学

学位级别：硕士

非晶合金材料具有损耗低的特点,在输配电系统中,以非晶合金为主要材料制成的变压器有着十分重要的作用,但是其运行时产生的振动噪声较大,会对周围环境造成影响,设备的长时间使用也会对本身的性能产生影响。非晶合金变压器铁心的磁致伸... 详细信息

非晶合金材料具有损耗低的特点,在输配电系统中,以非晶合金为主要材料制成的变压器有着十分重要的作用,但是其运行时产生的振动噪声较大,会对周围环境造成影响,设备的长时间使用也会对本身的性能产生影响。非晶合金变压器铁心的磁致伸缩效应是铁心振动的主要来源,为了对振动情况进行分析,需要实现对非晶合金磁化特性以及磁致伸缩特性的准确测量。目前,世界上许多国家都在深入研究非晶变压器的相关内容。然而,对于高频条件下的磁致伸缩与噪声分析还未见公开发表文章。因此,进一步对非晶合金变压器的噪声特性进行深入研究是十分必要的。为了研究高频条件下变压器铁心的振动噪声情况,本文对非晶合金的磁特性与磁致伸缩特性进行了测量,重点考虑了铁心的磁致伸缩效应,从建立磁致伸缩模型的角度对变压器振动噪声进行了分析研究,以磁特性与磁致伸缩特性数据为基础建立了非晶合金变压器的有限元模型,并与振动实验的测量结果进行了对比,验证了模型的有效性。本文的研究内容主要如下:（1）对非晶合金材料进行磁特性测量,获取了相应的磁化特性与磁致伸缩特性数据,以实验测量数据为基础,实现磁致伸缩模型参数的确定以及后期准确性的验证。（2）考虑实际磁化过程中k随磁化状态变化的事实,引入参数v,考虑频率变化并加入涡流损耗和剩余损耗,改进传统的J-A模型,修正后得出的磁化强度M与二次畴转模型结合,建立了合适的磁致伸缩模型用于非晶合金的模拟。其中,参数识别工作主要依托粒子群优化算法来进行。对不同激励下的参数变化进行分析,将参数带入模型计算磁滞回线与磁致伸缩回线,进行计算,将结果进行对比,证明其准确性。（3）基于模型数据,以其中的磁特性曲线与磁致伸缩单值曲线为基础,考虑铁心磁致伸缩效应,对非晶合金变压器的铁心的物理场依次进行分析计算,验证数值计算的合理性及准确性。（4）通过磁致伸缩模型,获得相应的高频磁特性数据和磁致伸缩单值曲线数据,带入建立的有限元模型中进行振动噪声分析,并与高频条件下的振动噪声测量数据进行对比,验证磁致伸缩模型在高频激励下的实用性。

关键词：变压器非晶合金 J-A模型磁致伸缩模型振动噪声

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旋转磁化下磁致伸缩特性研究

旋转磁化下磁致伸缩特性研究

作者：王园弟沈阳工业大学

学位级别：硕士

电工钢片的磁致伸缩被广泛认为是引起电气设备振动的主要来源之一,其特性与磁化方式、磁化频率、应力等因素密切有关,准确测量、模拟电工钢片的磁致伸缩特性对电机、变压器等电工设备的振动噪声研究具有重要意义。电机铁心及三相变压器... 详细信息

电工钢片的磁致伸缩被广泛认为是引起电气设备振动的主要来源之一,其特性与磁化方式、磁化频率、应力等因素密切有关,准确测量、模拟电工钢片的磁致伸缩特性对电机、变压器等电工设备的振动噪声研究具有重要意义。电机铁心及三相变压器铁心T型结合部存在大量旋转磁通,国外对旋转磁化下电工钢片磁致伸缩特性的测量与模拟研究仍处于起步阶段,而国内还未见报道。本文基于实验室研发的旋转磁化电工钢片磁致伸缩特性测量系统,测量并分析了不同磁化轨迹下单片电工钢片的磁致伸缩特性,提出了描述旋转磁致伸缩特性的动态矢量模型,并推导了模型参数计算方法。通过实验验证了模型的有效性,定量地分析了一台同步发电机定子铁心磁致伸缩及其引起的局部形变,为准确计算电机铁心振动噪声打下基础。主要研究内容有:首先,改进了实验室自行研制的旋转磁化下磁致伸缩特性测量系统。为提高测量精度,将原系统中应变片的粘贴位置移动到样片的中心区域,并测量了不同旋转磁化轨迹下磁致伸缩数据。然后,分析了不同磁化条件下,不同时刻沿任意方向上的应变分布、主应变和主应变角在一个磁化周期内的变化波形和主应变峰值变化规律;讨论了主应变波形的谐波含量及主应变和磁通密度之间的矢量和磁滞特性。再次,提出了描述磁致伸缩主应变与磁通密度矢量关系的动态矢量模型。将磁致伸缩主应变沿水平和垂直两个方向的分量表达为三项之和,即一个与磁化轨迹有关的常数项、磁通密度随时间变化项及磁通密度对时间的导数项。详细推导了模型中参数的数学表达式,基于测量数据计算了模型参数,建立了模型参数数据库。并验证了模型的有效性。最后,基于磁致伸缩模型对一台同步发电机的磁致伸缩形变进行建模仿真。在一个周期内,对定子铁心单元离散时刻的磁场数据采集并输出;基于模型参数数据库插值计算得到每个单元的模型参数;最后计算出每个单元的磁致伸缩数据,得到了电机铁心主应变的分布,及其引起的局部形变。

关键词：主应变磁致伸缩模型旋转磁化同步发电机