基于二维磁特性测量技术的电工钢片损耗特性研究

第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及意义能源是人类生活和发展所依赖的重要资源，而我国的能源利用率仅为 33%，比发达国家低十个百分点，单位产值能耗是世界平均水平的 2 倍多，对于单位能耗相比外国先进水平国内的平均值也比其高 40%，节能空间和潜力巨大。而为各种电力电子设备提供动力的电动机，被广泛应用在各个领域，例如科技、工业、商业、国防、公共基础设施等[1]。我国是亚洲第一大电力能源消耗国，随着近几年经济的高速发展，同时也是全球最大电能生产和消耗的国家，同时缺电现象在各个省份也普遍存在，从 2021 年以后我国的年发电量和用电量均稳居世界第一位，而其中更是有 65%以上的电能被用于电动机驱动。因此，如果可以提高电动机的能源利用率，将会对我国能源节约、环境保护等做出重要贡献。这一点也得到了世界各国的认可，纷纷加入到了高效电动机的开发与应用的工作中来，可见对提高电机效率的重视程度[2]。高效电动机是比一般通用的标准型电动机具有更好效率指标的一种电动机。凡是总损耗比老标准系列电动机降低 20%以上的电动机，称为高效电动机。高效电动机具有噪声小，振动小，温升低，寿命长等特点[3]。尽管高效电动机这个概念比较新颖，距今仅有大概近十几年，但就是在这很短的时间里，高效电机已经取得了飞速的发展。随着科技的进步，随着新材料，新技术和新工艺的应用，电机效率的进一步提高指日可待。虽然这会在一定程度上增加电机制造的成本及销售价格，但从长远以及节能的角度考虑，其长久使用的经济效益必然是可观的，这一点国内外各方面已经达成了广泛的共识。从节约能源和保护环境的角度出发，高效电动机是目前的国际发展趋势，美国、加拿大、以及欧盟国家相继颁布了关于法规。欧洲根据电动机的运行时间，制定的CEMEP 标准将效率分为 eff1（最高）、eff2、eff3（最低）三个等级，从 2003-2006 年间分步实施。最新出台的 IEC60034-30 标准将电机效率分为 IE1（对应 eff2）、IE2（对应 eff1）、IE3、IE4（最高）四个等级，如表 1.1。我国承诺从 2021 年 7 月 1 日起执行IE2 及以上标准[4]。.......1.2 国内外研究动态建立任何一种磁特性模型，都需要对表征材料特性的相关参数进行实际的测量。电工钢片交流磁化特性按目前研究情况分为：一维磁特性测量、二维磁特性测量和三维磁特性测量。一维磁特性测量即在测量时 B 和 H 的方向是一致的，二者的夹角为零，二维磁特性测量则是在考虑 B 和 H 的方向不一致的条件下进行的。一维磁特性测量研究开展了很多年，并且在国际上形成了一定的测量标准。目前，国际上广泛采用的电工钢片测量方法有爱泼斯坦方圈法（IEC404-2）和单片测量法（IEC404-2）。爱泼斯坦方圈法于 1949 年被提出[15-17]，这种方法的缺点是样件制作困难，且平均磁路长度不易确定，影响测量精度。上世纪七十年代，日本学者 Taaai Yamamoto 在爱波斯坦方圈法和环形样件测量法的基础上提出了测量磁化特性的单片测量法，弥补了上述传统测量方法的不足之处，并在 IEEE 磁学杂志上发表了题为电工钢片铁耗和磁导率的单片测量装置;的文章[18]。该测量方法对前面两种方法有较大的改进，解决了其测量方法本身存在的问题，提高了测量精度。然而，爱泼斯坦方圈法和单片测量法（SST）都属于一维测量，认为磁通密度的方向与磁场强度的方向一致，只能测量电工钢片在交变磁场激励下的磁特性而不能体现旋转磁场下磁性材料的二维磁特性[19]。为了解决这一问题，日本学者 M．Enoizono等人提出了测量电工钢片二维单片磁特性的测量装置[20-22]，该装置是测量电工钢片在交变磁场和旋转磁场两种激励下的磁特性，在旋转磁场下，磁通密度的方向在工频一周期内并不是固定不变的，与磁场强度之间的相位差也不为零。此时的铁心损耗为旋转损耗，要远远大于利用一维磁特性测量数据计算出的损耗结果。这种新的测量装置能够较好地反映旋转磁化情况下电工钢片的矢量磁特性。近几年，国外学者在这方面纷纷开展了相关的研究，先后提出了各种改进模型[23-25]。......第 2 章 电工钢片二维磁滞特性测量与损耗分析电工钢片二维磁特性的研究需要相对准确的旋转损耗测量数据。本章首先简易介绍了电工钢片的二维磁特性检测仪器，并描述了该测量设备的使用方法及原理。然后使用该设备测量了无取向硅钢片，测量得到在不同条件下无取向电工钢片的磁场分布，磁通密度 B 和磁场强度 H 曲线数据，分析 B 与 H 的关系曲线。同时，测量了磁通密度 B 与旋转损耗 P 的曲线，形成 B-P 曲线。为将该测量数据应用于工程实际的计算仿真中，笔者通过软件将数据进行处理，并提取了不同轴比不同角度下的损耗值并绘制出旋转损耗的三维插值曲面。2.1 电工钢片二维磁滞特性测量装置无取向硅钢片广泛用作电机定子铁心材料，电机性能的分析离不开对材料磁特性的描述，传统的环形样件法、单片测量法和爱泼斯坦方圈法这三种一维磁特性测量的方法已经无法反映实际工况下无取向硅钢片的真实磁特性。目前国内硅钢片生产厂家提供的磁化曲线是基于爱泼斯坦方圈法在样片的轧制方向施加正弦交变磁场下测得硅钢片磁特性，默认磁通密度 B 矢量与磁场强度 H 矢量的方向一致。然而，近几年随着二维磁特性测量技术的飞速发展，国外研究学者指出在旋转磁通条件下沿不同磁化方向硅钢片材料的磁特性不同，即 B 和 H 矢量存在夹角不在同一方向。目前，二维磁特性测量装置尚未形成统一的 IEC 标准，测试设备仍处于实验室研发阶段。日本学者 M.Enoizono 于 90 年代初提出了电工钢片的二维磁测量原理和模型，从本质上改进了硅钢片的测量原理，更加详尽的描述了硅钢片的二维磁特性。实现二维磁特性测量的前提是外加磁场的方向能与被测硅钢片的轧制方向成任意角度，这样的磁场也就是旋转磁场。实现的方法是产生两路相互垂直并且互差一定时间相位角的磁场，也就是在两条磁路的励磁线圈中分别通以时间相位差一定角度的工频电流。如此以来，处于两条垂直磁路交会处的被测电工样片中通过的磁通密度矢量的顶点在一个周期内的轨迹就可以确定一个波形，当波形为椭圆时，说明磁通密度既有旋转分量，又有交变分量；当波形为直线时，磁通密度只含有交变分量；当波形为圆形时，磁通密度只含有旋转分量；当波形为其他图形时，说明磁通密度是由含有谐波的非正弦轨迹波形组成单片硅钢片二维磁特性测量系统包括主机和磁场发生装置两个部分，图 2.1 给出了电工钢片二维磁特性测量装置。........2.2 无取向硅钢片二维磁滞特性测量与损耗分析使用上面的二维磁特性测量系统分别测量任意取向的交变磁化以及旋转磁化条件下电工钢片的二维矢量磁特性，即分别测量α=0、0.25、0.5、0.75、1 情况下，角度θ=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，即每隔 15°变化时，磁通密度 B 与磁场强度 H 之间的关系。如图 2.7 和图 2.8 所示，分别测量了无取向电工钢片在交变条件磁化作用下，倾斜角θ=15°，45°和 75°时，磁通密度饱和前（Bmax=0.8T）与磁通密度饱和后（Bmax=1.6T）各项数据的测量结果，其中包括磁通密度、磁场强度以及磁滞回环。测量结果显示了随着测量时磁通密度 B 逐渐增强，磁场强度 H 的扭曲程度不断加深，尤其是饱和后的磁场强度 H，从图形上看已经与磁通密度 B 相差无几，见图 2.8a、b。如图 2.9 和图 2.10 所示，分别测量了无取向电工钢片在旋转条件磁化作用下，轴比α=0.25，倾斜角θ依次为 0°，45°，90°时，磁通密度饱和前（Bmax=0.8T）与磁通密度饱和后（Bmax=1.6T）各项数据的测量结果，其中包括磁通密度和对应的磁场强度在一个时间周期内的变化轨迹以及 x、y 两个方向上的磁滞回环。数据结果显示，无论是Bmax=0.8T 时的未饱和磁场下还是临近饱和时的 1.5T 的磁通密度下，即便 B 的轨迹为标准纯椭圆，与其相对应的 H 轨迹也并非是椭圆形的，而这一结果也恰好体现出无取向硅钢片在二维磁特性测量中矢量 B 和 H 方向的非一致性，这是 SST 单片测量法实验无法测出的材料磁性能，但却又是材料的真实磁性能。

........第 3 章 旋转损耗计算模型及改进........ 243.1 旋转椭圆损耗计算模型以改进...........243.1.1 旋转椭圆损耗计算模型.....243.1.2 改进的旋转椭圆损耗计算模型...........253.2 正交分解损耗计算模型及改进...........293.2.1 正交分解损耗计算模型.....293.2.2 改进的正交分解损耗计算模型...........303.3 磁通密度畸变下旋转损耗计算模型............343.4 本章小结...........37第 4 章 环形铁心样件磁场测试与损耗计算.......... 384.1 环形铁心样件实验模型的设计...........384.1.1 环形铁心样件实验模型的硬件设计............384.1.2 环形铁心样件实验模型的软件设计............404.2 环形铁心样件磁通密度测量......424.3 损耗计算与对比分析.........464.4 本章小结...........48第 5 章 结论........ 49第 4 章 环形铁心样件磁场测试与损耗计算在第二章中，使用二维磁特性测量系统实验测量了无取向硅钢片二维磁滞特性，并对测量数据进行提取，得到比损耗的插值曲面。在第三章中，以前一章得到的测量数据为基础，并在已有的传统的旋转椭圆损耗计算模型和正交分解损耗计算模型基础上，提出改进的损耗计算模型，通过简易实验验证了提出模型计算的准确性。本章将以一个环形铁心样件为实例进行实验，并使用上一章中几个损耗计算公式进行计算对比分析。4.1 环形铁心样件实验模型的设计无取向电工钢片被广泛地应用于电机铁心的生产中。在实际电机运行中，其铁心往往是由无取向电工钢片叠加构成，其电源通以正弦波形，但在电机定子铁心中齿部通常存在旋转磁场，这些旋转磁场往往是由旋转磁通密度产生的，其中这些旋转磁通密度不可能都是由正弦波形构成，绝大多数都是由畸变磁通密度构成（含有谐波）。为验证这一事实，本小节将以一个由无取向电工钢片叠加而成的环形铁心样件为例，使用探针法对测量区域进行测量，得到该区域实际磁通密度轨迹，然后对该磁通密度轨迹进行傅立叶分解，得到各次谐波下磁通密度轨迹，并应用改进前后的旋转椭圆损耗计算模型和正交分解损耗计算模型分别计算该区域的损耗值，对比分析使用公式得到的数值计算结果。...........结论电机或变压器铁心损耗与铁心的磁化强度、磁化方式、磁化频率、温度及应力等因素关于，本文重点研究磁化方式（即旋转磁化与交变磁化）对电工钢片损耗的影响。通过使用先进的二维旋转损耗测量设备测量出来的损耗数据，讨论了磁化方式对电工钢片磁特性及损耗特性的影响，提出了两种改进的旋转椭圆损耗模型和正交分解损耗模型，并通过实验验证了损耗模型的计算精度，为高功率密度电机的优化设计提供了参考依据。具体研究成果可总结为如下几个方面。（1）利用二维磁特性测量设备分别测量了 50Hz，150Hz 和 250Hz 下交变磁化、旋转磁化（椭圆和扭曲椭圆）下无取向电工钢片的磁滞回环和比损耗，测量结果表明：比损耗值随着频率的增强有显著的提升，同时比损耗值还随轴比率以及倾斜角的增加有所提高，说明了在旋转磁化条件下的比损耗明显高于在交变磁化条件下的，在Bmax=1.5T，θ=45°纯圆磁通密度下的比损耗值高出交变磁通密度条件下 28.12%，但是在纯圆磁通密度达到饱和后比损耗值会下降，这一情况在交变磁通密度条件下则不会出现。（2）基于旋转损耗测量数据，分析发现传统旋转椭圆模型和正交分解模型在计算旋转损耗时存在一定误差，尤其是使用传统旋转椭圆模型计算 Bmax=1.6T，θ=60o和α=0.5 情况时相对误差达到 37.37%以及使用传统正交分解模型计算在Bmax=1.8T，θ=90o和α=0.75 情况时相对误差高达 109%。为此，本文引入了与磁通密度关于误差计算多项式修正了磁通密度高于 1.0T 的损耗计算公式，进而提出了改进的旋转椭圆模型和正交分解损耗模型。（3）提出了非标准磁化下电工钢片损耗计算方法，即将总损耗表述为各次谐波产生的旋转损耗的代数和，而基波产生的旋转损耗由上述改进损耗模型计算。进一步地，为了验证改进损耗模型的计算精度，实验测试了一种非标准磁化下电工钢片的比损耗并与计算值进行了对比。通过二维磁特性测量系统测量得到总比损耗为 2.1576W/g，通过传统旋转椭圆模型计算得到的比损耗为 1.8532W/g，使用其改进的模型计算得到的总比损耗为 1.9858W/g，而通过正交分解模型计算得到的比损耗为 2.8683W/g，使用其改进的模型计算得到的总比损耗为 1.9466W/g，研究表明：使用改进后的旋转损耗计算模型，其相对误差由 14.10%降低到 7.96%，相比其他模型其计算精度是最高的。.........参考文献(略)