工程電磁場實驗報告上交版

實驗報告——疊片鋼渦流損耗分析實驗?zāi)康模?）認(rèn)識鋼的渦流效應(yīng)的損耗，以及減少渦流的方法；2）學(xué)習(xí)渦流損耗的計算方法；3）學(xué)習(xí)用MAXWELLSV計算疊片鋼的渦流。實驗內(nèi)容：作用在磁鋼表面的外磁場Hz=397.77A/m，即Bz=1T，要求理論分析與計算機(jī)仿真：疊片鋼的模型為四片鋼片疊加而成，每一片界面的長和寬分別是12.7mm和0.356mm，兩片之間的距離為8.12um，疊片鋼的電導(dǎo)率為2.08e6S/m，相對磁導(dǎo)率為2000，建立相應(yīng)幾何模型，并指定材料屬性，制定邊界條件。分析不同頻率下的渦流損耗。實驗簡介：在交流變壓器和驅(qū)動器中，疊片鋼的功率損耗很重要。大多數(shù)扼流圈和電機(jī)通常使用疊片，以減少渦流損耗，但是這種損耗仍然很大，特別是在高頻的情況下，交變設(shè)備中由脈寬調(diào)制波形所產(chǎn)生的渦流損耗不僅降低了設(shè)備的整體性能，也產(chǎn)生了熱。設(shè)計工程師通常采用兩種方法預(yù)測疊片鋼的損耗:使用疊片鋼廠商提供的鐵耗隨頻率的變化曲線，但是往往很難得到這樣的曲線；使用簡單的計算公式，公式中的渦流損耗是疊片厚度的函數(shù)，但是這樣的公式往往僅在頻率為60Hz或更低的頻率情況下才是正確的。而大多數(shù)交變電磁設(shè)備，所使用的頻率可達(dá)千赫茲或兆赫茲，因此需要用其它的方法預(yù)測渦流損耗。在非常高的頻率下，渦流損耗遠(yuǎn)大于磁滯損耗，鐵損幾乎完全是由渦流引起的。渦流損耗可以使用有限元法通過數(shù)值計算獲得。本實驗就采用軸向磁場渦流求解器來計算不同頻率下的渦流損耗。實驗步驟：根據(jù)實驗內(nèi)容分析建立實驗?zāi)Ｐ?，由于四片疊片鋼關(guān)于XY軸具有對稱性，故可以只計算第一象限。定義模型的長寬及兩片之間距離，電導(dǎo)率，相對磁導(dǎo)率以及外磁場場強(qiáng)之后就可以進(jìn)行仿真。通過生成幾何模型，制定材料屬性，指定邊界條件和源，設(shè)定求解參數(shù)選項極樂進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計了。數(shù)值計算結(jié)果：圖一Hz=1Hz時疊片鋼的磁場分布圖二Hz=60Hz時疊片鋼的磁場分布圖三Hz=360Hz時疊片鋼的磁場分布圖四Hz=1kHz時疊片鋼的磁場分布圖五Hz=2kHz時疊片鋼的磁場分布圖六Hz=5kHz時疊片鋼的磁場分布圖七Hz=10kHz時疊片鋼的磁場分布軟件計算了不同頻率處最低磁通密度Bmin和渦流損耗P，見下表：F（Hz）BminP(W)11.0001.93366e-6600.9996.95683e-33600.9882.45090e-11k0.9191.648432k0.7584.588655k0.4129.5638010k0.2021.28196e11.數(shù)值結(jié)果與低頻損耗計算公式的比較低頻渦流損耗的計算公式為P=t2ω2B2σ2/24V式中，V為疊片體積；t為疊片厚度；B為峰值磁通密度；δ為疊片電導(dǎo)率；ω為外加磁場角頻率。Maxwellsv所獲得的功率損耗值是假定疊片鋼在Z方向具有單位長度（1m）時而計算出來的。因此，上式中的體積顯然需要按照以下公式計算V=12.7*10-3*0.356*10-3*1=4.5212*10-6m3公式成立的條件是頻率低于2KHz，趨膚深度遠(yuǎn)小于疊片厚度。由此計算各個頻率下的渦流損耗，見下表：F（Hz）BminP(W)11.0001.9605e-6600.9997.0578e-33600.9882.5460e-11k0.9191.99072k0.7588.16185k0.4125.3053e110k0.2022.1928e2經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，在2khz以下頻率，數(shù)值結(jié)果與低頻損耗計算公式的結(jié)果吻合的非常好。2.數(shù)值結(jié)果與高頻損耗計算公式的比較射頻工程師使用的損耗計算公式不同與電氣工程師，其原因在于射頻工程師遇到的頻率往往較高。射頻工程師使用的公式是假定金屬的趨膚深度遠(yuǎn)小于金屬厚度的情況下得到的，其計算公式為式中，S為疊片表面積；Ht為磁場強(qiáng)度切線分量；σ為疊片電導(dǎo)率；?為疊片相對磁導(dǎo)率；ω為外加磁場角頻率。Rs為單位表面積疊片的阻抗；δ公式的使用條件為頻率大于等于10kHz，趨膚深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于疊片厚度。當(dāng)f=10kHz、趨膚深度時，顯然滿足公式適用條件。單位表面積疊片的阻抗這里要注意S的計算，疊片鋼與磁場強(qiáng)度Ht相切的面共有4個，故總的表面積S=2.6112*10-3m2.進(jìn)而可得P=12.727w。為了進(jìn)行比對，也利用高頻公式計算2KHZ和5kHz情況，計算結(jié)果見下表：F（Hz）BminP(W)2k0.7585.69185k0.4129.000010k0.20212.727計算結(jié)果表明，在頻率大于10KHz時，數(shù)值計算結(jié)果與高頻損耗公式計算結(jié)果吻合的也非常好。對MAXWELLSV運用的體會：感覺軟件挺好，就是畫面有點粗糙，對于達(dá)到實驗?zāi)康囊呀?jīng)足夠了。由于自己運用軟件的次數(shù)不是太多，覺得挺神奇的。當(dāng)a=0.05mm時，Bz/Bo基