非晶合金和取向硅鋼是制作配電變壓器鐵心常用的兩種軟磁材料。其中，非晶合金材料具有損耗密度小的優(yōu)點(diǎn)，但也存在飽和磁通密度低、磁致伸縮系數(shù)大的問(wèn)題；而取向硅鋼材料具有飽和磁通密度高、磁致伸縮系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，但損耗密度較大。兩種軟磁材料不同的磁化特性導(dǎo)致當(dāng)前配電變壓器鐵心不能兼顧低損耗和低振動(dòng)。將非晶合金和取向硅鋼鐵心進(jìn)行裝配組合,形成非晶合金-取向硅鋼組合鐵心,可以綜合兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。合理地分配非晶合金和取向硅鋼占比,對(duì)降低配電變壓器鐵心損耗以及減小配電變壓器鐵心振動(dòng)具有重要意義。
當(dāng)前，配電變壓器組合鐵心結(jié)構(gòu)主要是采用硅鋼與硅鋼組合的方案，具體又可以分為兩類(lèi)：取向硅鋼-無(wú)取向硅鋼組合鐵心及不同型號(hào)取向硅鋼裝配形成的組合鐵心。國(guó)內(nèi)外做過(guò)很多相關(guān)研究，但缺少對(duì)組合鐵心中非晶合金和取向硅鋼的配比以及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)，并且未進(jìn)行組合鐵心振動(dòng)特性仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
為此華北電力大學(xué)陳昊等研究人員以非晶合金-取向硅鋼組合鐵心結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以組合鐵心中取向硅鋼占比和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為自由變量，通過(guò)建立等效雙非線性磁路模型，求解組合鐵心的磁通密度分布，從而提出一種基于自由參數(shù)掃描法的非晶合金-取向硅鋼組合鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，搭建組合鐵心實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元仿真，分析了組合鐵心的磁-機(jī)械振動(dòng)特性。該項(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和國(guó)家自然科學(xué)基金資助。研究人員設(shè)計(jì)了一種非晶合金和取向硅鋼鐵心并排的組合結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際配電變壓器鐵心生產(chǎn)工藝，在該結(jié)構(gòu)中非晶合金部分采用平面卷鐵心結(jié)構(gòu)，取向硅鋼部分采用平面疊鐵心結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁線圈同時(shí)繞過(guò)兩只鐵心。其中非晶合金鐵心寬度wA，取向硅鋼鐵心的寬度wS ,取向硅鋼鐵心與組合鐵心的寬度之比x滿足如下關(guān)系：
非晶合金-取向硅鋼組合鐵心由于兩種非線性軟磁材料同時(shí)存在，傳統(tǒng)根據(jù)勵(lì)磁線圈端電壓、匝數(shù)和截面積僅能獲取組合鐵心的平均磁通密度，而難以獲取磁通密度在非晶合金和取向硅鋼鐵心中的分布結(jié)果。為此，研究人員通過(guò)考慮非晶合金和取向硅鋼的磁化飽和特性建立組合鐵心的等效雙非線性磁路模型，采用磁路法迭代求解組合鐵心的磁通密度分布。
采用自由參數(shù)掃描法，對(duì)組合鐵心的5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)（組合鐵心的長(zhǎng)度l、高度h、鐵軛的厚度d、非晶合金鐵心的寬度wA以及取向硅鋼鐵心與組合鐵心的寬度之比x）進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)取向硅鋼鐵心磁通密度是否高于非晶合金鐵心磁通密度這一約束條件，確定可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案集，并通過(guò)測(cè)試選取出一套最佳的設(shè)計(jì)方案。
為了驗(yàn)證組合鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，研究人員制作了組合鐵心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中，非晶合金平面卷鐵心由AN101型帶材卷制而成，為多層搭接結(jié)構(gòu)，搭接長(zhǎng)度為18mm，可以有效減少氣隙對(duì)鐵心磁性能的影響。取向硅鋼疊鐵心由B30P120型單片疊制而成，為斜接縫結(jié)構(gòu)，并裝配環(huán)氧樹(shù)脂夾件進(jìn)行夾緊處理，可有效減小接縫處氣隙的影響。同時(shí)對(duì)鐵心模型的相關(guān)磁特性進(jìn)行了測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：1、非晶合金-取向硅鋼組合鐵心可以綜合非晶合金損耗密度低和取向硅鋼磁致伸縮系數(shù)小、飽和磁通密度高的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)比分析了組合鐵心磁通密度分布的計(jì)算值和測(cè)量值，相對(duì)誤差分別為0.858%、3.484%和5.073%，驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方法的有效性。2、對(duì)比分析了組合鐵心與傳統(tǒng)純非晶合金鐵心和純?nèi)∠蚬桎撹F心的空載損耗大小和振動(dòng)位移大小表明，相比傳統(tǒng)純?nèi)∠蚬桎撹F心，組合鐵心的空載損耗降低了67.829%；相比傳統(tǒng)純非晶合金鐵心，組合鐵心的振動(dòng)位移峰值降低了38.20%。3、下一步工作建立考慮磁滯效應(yīng)的組合鐵心雙非線性磁路-電路耦合模型以及研究考慮磁滯效應(yīng)的組合鐵心雙非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法。
當(dāng)前，配電變壓器組合鐵心結(jié)構(gòu)主要是采用硅鋼與硅鋼組合的方案，具體又可以分為兩類(lèi)：取向硅鋼-無(wú)取向硅鋼組合鐵心及不同型號(hào)取向硅鋼裝配形成的組合鐵心。國(guó)內(nèi)外做過(guò)很多相關(guān)研究，但缺少對(duì)組合鐵心中非晶合金和取向硅鋼的配比以及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)，并且未進(jìn)行組合鐵心振動(dòng)特性仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
為此華北電力大學(xué)陳昊等研究人員以非晶合金-取向硅鋼組合鐵心結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以組合鐵心中取向硅鋼占比和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為自由變量，通過(guò)建立等效雙非線性磁路模型，求解組合鐵心的磁通密度分布，從而提出一種基于自由參數(shù)掃描法的非晶合金-取向硅鋼組合鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，搭建組合鐵心實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元仿真，分析了組合鐵心的磁-機(jī)械振動(dòng)特性。該項(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和國(guó)家自然科學(xué)基金資助。研究人員設(shè)計(jì)了一種非晶合金和取向硅鋼鐵心并排的組合結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際配電變壓器鐵心生產(chǎn)工藝，在該結(jié)構(gòu)中非晶合金部分采用平面卷鐵心結(jié)構(gòu)，取向硅鋼部分采用平面疊鐵心結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁線圈同時(shí)繞過(guò)兩只鐵心。其中非晶合金鐵心寬度wA，取向硅鋼鐵心的寬度wS ,取向硅鋼鐵心與組合鐵心的寬度之比x滿足如下關(guān)系：
非晶合金-取向硅鋼組合鐵心由于兩種非線性軟磁材料同時(shí)存在，傳統(tǒng)根據(jù)勵(lì)磁線圈端電壓、匝數(shù)和截面積僅能獲取組合鐵心的平均磁通密度，而難以獲取磁通密度在非晶合金和取向硅鋼鐵心中的分布結(jié)果。為此，研究人員通過(guò)考慮非晶合金和取向硅鋼的磁化飽和特性建立組合鐵心的等效雙非線性磁路模型，采用磁路法迭代求解組合鐵心的磁通密度分布。
采用自由參數(shù)掃描法，對(duì)組合鐵心的5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)（組合鐵心的長(zhǎng)度l、高度h、鐵軛的厚度d、非晶合金鐵心的寬度wA以及取向硅鋼鐵心與組合鐵心的寬度之比x）進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)取向硅鋼鐵心磁通密度是否高于非晶合金鐵心磁通密度這一約束條件，確定可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案集，并通過(guò)測(cè)試選取出一套最佳的設(shè)計(jì)方案。
為了驗(yàn)證組合鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，研究人員制作了組合鐵心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中，非晶合金平面卷鐵心由AN101型帶材卷制而成，為多層搭接結(jié)構(gòu)，搭接長(zhǎng)度為18mm，可以有效減少氣隙對(duì)鐵心磁性能的影響。取向硅鋼疊鐵心由B30P120型單片疊制而成，為斜接縫結(jié)構(gòu)，并裝配環(huán)氧樹(shù)脂夾件進(jìn)行夾緊處理，可有效減小接縫處氣隙的影響。同時(shí)對(duì)鐵心模型的相關(guān)磁特性進(jìn)行了測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：1、非晶合金-取向硅鋼組合鐵心可以綜合非晶合金損耗密度低和取向硅鋼磁致伸縮系數(shù)小、飽和磁通密度高的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)比分析了組合鐵心磁通密度分布的計(jì)算值和測(cè)量值，相對(duì)誤差分別為0.858%、3.484%和5.073%，驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方法的有效性。2、對(duì)比分析了組合鐵心與傳統(tǒng)純非晶合金鐵心和純?nèi)∠蚬桎撹F心的空載損耗大小和振動(dòng)位移大小表明，相比傳統(tǒng)純?nèi)∠蚬桎撹F心，組合鐵心的空載損耗降低了67.829%；相比傳統(tǒng)純非晶合金鐵心，組合鐵心的振動(dòng)位移峰值降低了38.20%。3、下一步工作建立考慮磁滯效應(yīng)的組合鐵心雙非線性磁路-電路耦合模型以及研究考慮磁滯效應(yīng)的組合鐵心雙非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法。
