[发明专利]一种考虑自耦变压器卷铁心材料非线性磁性能的涡流损耗分析方法

说明书

本发明公开了一种考虑自耦变压器卷铁心材料非线性磁性能的涡流损耗分析方法：在给定卷铁心结构和材料物性参数的条件下，采用高精度的拟合函数表征硅钢片非线性媒质的本构关系，引入并构建卷铁心涡流场的简化计算模型，提出适用于工频条件的卷铁心涡流损耗测评方案。本发明的有益效果是提出了一种更符合物理规律和实际运行工况的卷铁心涡流损耗评估方法，能为自耦变压器生产优化设计和服役性能测评提供数据支持。

技术领域

本发明属于电气设备电磁分析与数值计算领域，具体涉及一种考虑自耦变压器卷铁心材料非线性磁性能的涡流损耗分析方法。

背景技术

AT供电方式是我国高速铁路牵引供电系统的主流方式之一，自耦变压器作为桥接电磁能量的大型电气设备，其运行性能直接关系着整个牵引供电系统的命脉。同时，空载时间长的工况贯彻着整个高铁运行线路，因而关注铁心的运行损耗在变压器优化设计和运行性能评估中有着举足轻重的地位。而涡流损耗作为铁心能耗的重要组成部分，提出一套足够精确、通用性强的涡流损耗评估方法具有迫切的工程意义。

目前针对自耦变压器卷铁心涡流损耗的评估只能直接套用对单级硅钢片依据线性媒质约束关系进行不严格推导而得出的经典公式进行计算，然而其重要的磁特性参数(如磁导率)往往需要通过经验方法获取：例如对非磁饱和区的不同平均磁通密度对应的所有磁导率数值求统计学平均，以此为涡流损耗计算的参数标准。这种基于工程经验的算法很难对不同类型、结构的自耦变压器损耗评估提供足够的参考价值，因此要得到通用性强的计算方法，需要考虑卷铁心材料本身的非线性磁性能，从电磁机理层面对涡流场重新进行分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑自耦变压器卷铁心材料非线性磁性能的涡流损耗分析方法，并通过如下技术手段实现：

一种考虑自耦变压器卷铁心材料非线性磁性能的涡流损耗分析方法，其特征在于，卷铁心材质为高导磁冷轧晶粒取向硅钢片，包括以下步骤：

1)依据磁准静态场麦克斯韦方程的微分形式，以及卷铁心磁路长度和截面宽度远大于硅钢片厚度的特性，得到硅钢片内涡流场复数形式标准方程：

式中，D为位移电流，ρ为自由电荷体密度，E为电场强度，j₀为全电流密度，B为磁通密度，H为磁场强度，j为虚数单位，f为励磁频率，σ为卷铁心材质的电导率，H_z(x)和B_z(x)分别代表硅钢片内部各点的磁场强度和磁通密度，通过对实测的材料磁特性数据进行高精度的数值拟合，得到它们满足非线性的耦合关系：

B_z(x)＝μ₀[αarctan(βH_z(x))+γH_z(x)] (3)

式中，μ₀为真空磁导率，α、β、γ是与卷铁心材料有关的拟合系数。

由于卷铁心通常运行于工频50Hz条件下，其集肤效应在低频工况可以被忽略，因此磁场强度随位置量的变化并不剧烈，(3)重新改写为：

B_z(x)＝μ₀[αarctan(βH_m)+γH_m] (4)

式中，H_m为卷铁心截面磁场强度幅值，满足：

式中，U₀为自耦变压器的一次侧电压，μ_avg为卷铁心材料在非饱和区磁密区的平均磁导率，N为励磁绕组匝数，S为卷铁心的截面积。

结合(2)(4)，对等式两边进行积分，得到卷铁心磁场强度函数表达式：