首页/文章/ 详情

对磁芯损耗(Core Loss)数据进行参数拟合

1月前浏览9201

本文摘要(由AI生成):

本文主要介绍了磁芯损耗的理论公式和数值方法,包括经典理论和Steinmetz模型。磁芯损耗与磁性材料特性和工作频率密切相关,同时与温度也有关系。本文着重于磁芯损耗公式的参数拟合,介绍了如何通过MatEditor进行磁芯损耗的参数拟合,包括添加P-B Test Data材料属性、添加Core Loss Model材料属性、添加曲线拟合子属性、求解曲线拟合、将计算所得数值赋予磁芯损耗参数等步骤。

磁性元件中的磁芯损耗有着十分重要的实际工程意义。尤其在高频工况下,磁性元件的损耗占整机损耗的比重较大。一般厂家在产品的手册中也会给出磁芯损耗曲线。磁芯损耗也有相对应的理论公式,有些磁芯材料厂家会在产品手册中给出相关的参数,而有些厂家则没有提供,这时候就需要用户根据磁芯损耗曲线来进行曲线拟合从而得到参数。而磁芯损耗也是电磁仿真中常遇到的问题,尤其是在电磁分析的结果后处理中,常用到磁性损耗的参数。

磁芯损耗与磁性材料特性和工作频率等密切相关。同时磁芯损耗也和温度密切相关,在不同温度下也有成熟的磁芯损耗的计算方法,本文着重与磁芯损耗公式的参数拟合,关于温度对损耗的影响会在以后的文章中描述。

磁性损耗曲线拟合的理论与数值方法

常见的磁芯损耗曲线控制方程有经典法,Steinmetz 法,以及各种修正的Steinmetz 法等等。本文就以经典法和Steinmetz 法为主介绍理论与数值方法,其他模型也是非常相似的。

(1)经典理论公式

在不考虑直流通量偏移的情况下,经典的铁芯损耗表达式为

其中,Bm是交流通量的幅值,f是频率,Kh是磁滞损耗参数,Kc是涡流损耗参数,Ke是剩余损耗参数。磁滞损耗(Ph)是磁性材料在磁化过程中,磁畴要克服磁畴壁的摩擦而损失的能量,这部分损失最终使磁芯发热而消耗掉。单位体积磁芯损耗的能量正比于磁滞回线包围的面积。每磁化一个周期,就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量,所以一般磁滞曲线面积越小,磁滞损耗就越小;频率越高,损耗功率越大。涡流损耗(Pc)是因磁芯材料的电阻率不是无限大,有一定的电阻值,在高频时还是会由于激磁磁场在磁芯中产生涡流而导致损耗。剩余损耗(Pe)是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中,磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态,而是需要一个过程,这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。

对于输入的P-B材料参数,只要对其二次项形式求函数最小化,即可得到曲线的参数Kf, Kc,和Ke。

其中m是损耗曲线的条数,ni是每条曲线的数据点个数。而pij是多频率损耗曲线对应数据。

(2)Steinmetz模型

虽然经典理论方法给出了合理的磁性损耗解释,但实际工程上对于一些磁体并不易于使用。德裔数学家同时也是电气工程师的Steinmetz 早在100多年前总结出了一个适用于工程计算磁芯损耗的经验公式。表达如下:

其中pv是平均损耗功率密度,f是激励频率,Bm是磁通量密度峰值。这个公式表明单位体积的损耗Pv 是重复磁化频率和磁通密度的指数函数。Cm ,x和y 是经验参数,两个指数都可以不为整数,一般的1<x<3 和 2<y<3。对于不同的材质,生产厂家一般会给出其相应的一套参数。此公式常用来表达正弦激励下的磁化的状况,不会用于方波等其他非正弦磁激励。Steinmetz 模型已被证明是有用的计算磁芯损耗工具,该公式只有三个参数。对于正弦磁通波形,用该式进行磁芯损耗计算可以得到较高的精度和应用上的便利。

为了节约计算资源,可以将上式用对数方法线性化,得到如下形式:

其中c=log(Cm)。

最小化其二次项形式,可以计算得到其参数c,x,和y。

实际参数Cm可以通过对数关系Cm=10^c得到。

关于函数最小化的具体数值算法涉及内容较多,我们会在以后的文章中介绍到。

磁芯损耗参数拟合方法与步骤

下面来介绍如何通过使用MatEditor来进行磁芯损耗的参数拟合。MatEditor是一款免费的工程材料数据编辑软件。有限元分析软件WelSim中也含有相同模块。

1. 添加P-B Test Data材料属性,并在表格中输入参数,这些数据往往是来自于磁性产品的生产厂家手册中。也可以通过读取文本或者Excel表格文件来输入材料参数。输入完毕后,点击每行频率,曲线窗口会显示相关P-B关系曲线。点击频率首栏,会显示所有频率下的P-B曲线。

2. 添加Core Loss Model材料属性,在模型类型中设置Electrical Steel 或 Power Ferrite。

3. 右键点击Core Loss Model属性弹出菜单,添加曲线拟合(Curve Fitting)子属性。

4. 添加曲线拟合子属性后,点击右键,从弹出窗口中选择Solve Curve Fit求解曲线拟合。

5. 如果求解成功,计算所得的参数会自动显示在表格窗口。如图所示,

6. 右键点击曲线拟合属性,并选择将计算所得数值赋予磁芯损耗参数(Copy Calculated Values to Property)。

7.(可选)对于磁芯材料,我们也常需要显示在对数坐标下的曲线。点击对数坐标按钮,既可以显示。

本例以Power Ferrite模型为例,对于Electrical Steel模型的参数拟合步骤是相同的。

电磁基础电磁力寄生参数电源电路电磁兼容后处理分析电磁-结构耦合通用航空航天船舶核能轨道交通汽车电力电子油气WELSIM新能源电子电控煤炭风能求解技术电场自动驾驶太阳能
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2020-07-06
最近编辑:1月前
WelSim
一枚搞仿真的老员工
获赞 20粉丝 71文章 16课程 0
点赞
收藏
未登录
1条评论
仿真小刘
仿真无限,努力无限。
3年前
文章不错
回复

课程
培训
服务
行家

VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈