磁记忆效应的Jiles-Atherton理论模型全过程推导

金属磁记忆检测方法是一种能够对铁磁材料进行早期无损检测的新技术,其检测的是在外应力和地磁场的共同作用下铁磁构件产生的自发漏磁场.而磁机械效应则是指在恒定的外磁场环境中,磁化强度与外应力之间的变化关系.两者从本质上来讲是相似的.因此,磁记忆效应的物理本质就是弱磁场(地磁场)下的磁机械效应.针对磁机械效应经典的Jiles-Atherton理论模型,进行了系统、全面、完整的理论公式推导,分析了不同变量之间的物理关系和数学关系,并指出Jiles-Atherton理论模型存在的不足,并探讨了基于该模型进行的优化改进研究,改进的模型很好地解释了拉压应力作用下的非对称磁化行为.

基于Energetic和改进Jiles-Atherton-Sablik模型的电工钢片动态磁致伸缩特性模拟

准确模拟电工钢片的动态磁致伸缩特性是电工装备铁心振动和噪声分析的关键步骤。该文提出一种基于Energetic磁滞模型和改进Jiles-Atherton-Sablik(J-A-S)模型的电工钢片动态磁致伸缩特性模拟方法。首先,基于静态Energetic磁滞模型和损耗分离理论,考虑由励磁频率引起的动态损耗密度分量,并采用场分离技术建立动态Energetic磁滞模型。其次,将动态Energetic磁滞模型求解的动态磁场强度作为改进J-A-S模型的已知量,从而根据铁磁材料的非线性本构关系,建立以磁感应强度为输入量的动态磁致伸缩逆模型。在此基础上,设计电工钢片动态磁致伸缩曲线的模拟流程。最后,将所提方法的模拟结果与实测结果和现有方法模拟结果进行对比,可知所提方法的模拟结果与实测结果吻合更好,从而验证所提模拟方法的准确性。

脉冲激励下铁基纳米晶磁芯的Jiles-Atherton模型参数辨识及应用

通过理论分析对经典J-A方程进行了修正,增强了其在脉冲条件下的适应性,利用脉冲磁化特性实验平台,测量了铁基纳米晶磁芯在不同磁化速率下的磁滞回线,采用遗传算法进行脉冲激励下的J-A参数辨识,将算法模拟的磁滞回线与实验测试的磁滞回线数据集进行拟合,验证了修正后的J-A方程的有效性,最后将遗传算法寻优得到的J-A参数应用于脉冲变压器场路耦合模型的磁芯J-A参数定义中,分析脉冲变压器初级电压为1.5 kV时的仿真与实验误差,得到脉冲变压器输出波形的脉冲前沿误差为3.33%,幅值误差为2.91%,相比于J-A参数的常规非线性求解方法精度更高,能更好地应用于脉冲功率系统中含磁性元件的建模仿真。

基于Jiles-Atherton理论的铁磁材料塑性变形磁化模型修正

Jiles-Atherton(J-A)模型在磁化建模领域应用广泛,但不同文献给出的J-A模型并不一致,致使采用不同表达式建立的塑性变形磁化模型存在多种版本,其正确性难以甄别.通过对无磁滞磁化方程、能量守恒方程和等效磁场强度方程的梳理与比较,发现原有模型中存在将磁化强度和无磁滞磁化强度混用、将不可逆磁化能量等效于全部的磁化能量、等效磁场强度中应力磁化项界定不清等问题.在此基础上,对上述方程进行了修正,推导了基于J-A模型的塑性变形磁化修正模型.将修正模型计算结果与原模型计算结果、相关文献中的试验结果进行对比,结果表明:与原有计算模型相比,修正模型计算结果的饱和磁化强度和剩余磁化强度随塑性变形增加而减小,矫顽力随塑性变形增大而增大,达到饱和磁化强度时的外磁场强度随塑性变形增大而增大的趋势有所减弱,更符合试验结果,可更准确地反映塑性变形对材料磁化的影响.

考虑各向异性和模型参数应力依赖关系的改进Sablik-Jiles-Atherton磁滞模型

机械应力会显著改变取向电工钢片的磁滞特性。Sablik-Jiles-Atherton(S-J-A)磁滞模型由于计算简单、物理含义明确,被广泛用于模拟机械应力作用下的磁滞特性,然而此模型存在模拟精度低的问题。为此,该文在现有S-J-A磁滞模型的基础上,考虑取向电工钢片本身的各向异性和由机械应力引起的各向异性,实现对无磁滞磁化强度表达式的修正;在此基础上,根据机械应力对取向电工钢片磁畴排列模式的影响,引入无磁滞磁化强度形状系数和钉扎系数对机械应力的依赖关系,提出一种改进的S-J-A磁滞模型;最后,以30QG120型取向电工钢片为例,应用所提改进模型模拟了不同机械应力下的磁滞回线,通过与实验测量和现有模型进行对比,验证了所提改进模型的准确性。

基于参数k计算改进Jiles-Atherton模型参数识别研究

Jiles-Atherton模型是研究磁滞回线的重要理论,但在使用过程中存在理论参数难以确定的问题。针对目前公式法需要较精确的初始值以及严格的迭代顺序,而优化算法在计算时计算时间过长且精度较差的问题,根据J-A理论中关于钉扎能的假设以及参数k的定义,改进了k的计算方法,在J-A模型5个参数间建立函数关系,为优化元启发式算法提供了理论依据。用该方法与粒子群算法(PSO)耦合,可直接计算k并进行合理性判别,对不合理的J-A参数值进行拦截从而提高运算精度和效率。对文献报道数据进行拟合计算,结果表明:该耦合粒子群(CPSO)通过对不合理的值拦截,不但大幅度提高计算效率,而且同时忽略了不合理数值计算对适应度值扭曲效应,大幅度提高计算准确度。进而用CPSO算法对硅钢材料的实测磁滞回线进行了拟合,实验结果验证了该计算方法的精确性、有效性。

基于蛙跳模糊算法的Jiles Atherton铁心磁滞模型参数确定

Jiles Atherton(JA)模型广泛应用于铁心磁滞建模领域,其参数确定精确与否直接影响铁心磁滞现象的表达,为此提出蛙跳模糊算法对JA模型参数进行辨识。为了防止蛙跳算法陷入局部最优解并加快收敛速度,根据特殊点(矫顽力、矫顽力点磁化率)处实测值与计算值的相对误差,采用模糊控制方法,得到动态反馈系数,修正蛙跳算法的步长调整公式。采用爱泼斯坦方圈搭建磁滞回线测量系统,测得铁心饱和磁滞回线与局部磁滞回线。采用蛙跳模糊算法、蛙跳算法、粒子群算法和遗传算法分别求解得到模型参数,并将计算的磁滞回线与实测磁滞回线进行比较,证明了所提出的蛙跳模糊算法不易陷入局部最优解且具有更快的收敛速度。根据蛙跳模糊算法得到的局部磁滞回线模型参数辨识结果,研究模型参数与磁通密度的关系并进行拟合,得到不同磁通密度下的局部磁滞回线参数拟合模型。

Jiles-Atherton模型的超磁致伸缩驱动器磁滞补偿控制

研究了磁滞补偿控制的方法,建立了基于Jiles-Atherton模型的磁滞补偿控制系统。介绍了Jiles-Atherton磁滞模型的主要思想及其主要参数,对该模型反向运动时磁化强度变化与磁场强度变化的对应关系进行了分析,并在此基础上,提出了利用磁滞环的宽度,通过重新给定反向起始点的迭代初值,实现磁滞补偿的方法。实验结果表明:对于阶跃响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且达到稳态时间比不进行磁滞补偿时缩短12 ms;对于正弦响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且均方误差比不进行磁滞补偿时提高了0.19μm,能有效消除磁滞的影响,提高定位精度。

基于人工鱼群与蛙跳混合算法的变压器Jiles-Atherton模型参数辨识

变压器铁芯磁化特性的准确建模是研究变压器直流偏磁现象的关键,在使用Jiles-Atherton(J-A)模型对变压器的磁滞回线进行建模分析时,需要对变压器直流偏磁工况下J-A模型中的5个关键参数进行准确识别。提出了人工鱼群与蛙跳混合算法对J-A模型中的关键参数进行辨识,该算法将两种仿生算法有机融合,在鱼群算法寻找到最优区域后切换至蛙跳算法进行局部搜索,兼具了人工鱼群算法前期收敛迅速与蛙跳算法局部搜索准确的优势。分别将所提混合算法及多种现有识别算法应用于数值仿真算例与变压器直流偏磁实测曲线的参数识别,结果表明基于人工鱼群与蛙跳混合算法得到的变压器磁滞回线与实测曲线吻合良好,且具有识别精度高和计算效率高的优点,验证了该算法在变压器J-A模型参数识别中的有效性,进而可以应用于对变压器直流偏磁下运行特性的准确分析。

Jiles-Atherton模型及其应用

Jiles-Atherton(JA)模型由于具有计算简单、稳定方便、物理意义明确的优点,在压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金为代表的新型智能材料的建模方面具有重要应用。但JA模型具有一些本质弱点,比如,它是一个非物理的模型,而且由于是标量模型,不能处理各向异性。针对这些缺点许多作者做了大量改进工作。本文将对这些工作简单综述。还介绍了JA模型的2个主要应用:磁滞控制和磁二相系统的建模;介绍了JA模型以及JA逆模型的基本方程以及磁滞系统的逆补偿控制的基本概念和方法。对于JA模型用于磁二相系统的建模的优缺点也作了评述。

基于粒子群优化算法的Jiles-Atherton磁滞模型参数计算

粒子群优化算法是一种模拟鸟群捕食行为的群体智能算法,该算法具有简洁、易于实现、没有太多调整参数及不需要梯度信息等特点,且在大多数情况下可快速收敛于最优解.为了描述材料的磁滞特性,提出了一种粒子群优化算法结合MATLAB/Simulink动态仿真集成环境的Jiles-Atherton磁滞回线模型参数计算方法,并分别以无噪及加噪的仿真数据对2组参数值不同的Jiles-Atherton磁滞回线模型进行了数值实验.结果表明,将粒子群优化算法及MATLAB/Simulink动态仿真集成环境应用于Jiles-Atherton磁滞模型的参数计算是有效的.

基于Jiles-Atherton逆模型的磁阀式可控电抗器特性计算

在分析计算磁阀式可控电抗器(MCR)的特性时,必须考虑交、直流共同激励和铁芯磁路各部分磁化状态不同的特点。提出了基于Jiles-Atherton逆模型的MCR等效磁化特性模型,该模型考虑了磁滞、直流偏磁和小截面磁阀等因素对磁化特性的影响,适用于不同结构参数下的MCR;基于等效磁化特性模型提出了MCR电流特性、控制特性和损耗特性的计算公式和方法;针对一个MCR样机进行了理论计算和实验测量,同时与基于理想小斜率模型的计算结果进行了对比。结果表明,提出的MCR等效磁化特性模型及其电流特性、控制特性和损耗特性计算方法是正确有效的,对MCR的工程设计计算有一定的参考和指导意义。

基于Jiles-Atherton模型的四级串联FLTD电路仿真

磁芯的动态特性对模拟快脉冲直线变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)在异常工况下的输出波形有很大影响,为更贴切地模拟FLTD放电过程中磁芯的磁化过程,建立了耦合Jiles-Atherton磁滞模型的四级串联FLTD电路模型,根据实测磁滞回线拟合了磁滞模型参数,将FLTD支路自放电的仿真与实验波形对比,验证了模型的有效性。模型所包含的磁滞回线特征很好地改善了仿真中自放电电压波形在第一个峰值之后的变化趋势,同时给出了放电过程中磁芯的励磁状态变化过程,为预测和分析FLTD故障提供了一种更准确的数值模型。

直流偏磁条件下变压器铁心磁化特性的Jiles-Atherton修正模型

Jiles-Atherton磁化建模理论在磁化建模领域应用广泛,但在直流偏磁条件下的有效性尚待验证。基于磁化强度的物理含义,推得交直流共同作用下的合成磁化强度为交流分量与直流分量之和;依据全电流定律,分析了交直流共同励磁条件下磁场强度的量化表征方式;利用郎之万函数,获得修正的无磁滞磁化特性曲线的数学模型;结合能量守恒定律,推导出合理可逆系数条件下直流偏磁时磁化强度的修正模型。基于直流偏磁时磁化曲线的非对称特性,提出确定模型参数的分区求解法。仿真及实验研究表明,该模型可用于分析、计算直流偏磁时变压器铁心的励磁电流及损耗。

基于改进人工鱼群算法的互感器Jiles-Atherton模型参数辨识

为开展仿真平台下的电磁式互感器特性研究,需要对试验互感器建立精确可靠的磁滞模型。Jiles-Atherton(J-A)模型广泛应用于互感器铁芯磁滞模型与仿真实验,其5个关键参数的辨识准确度直接影响J-A模型与试验互感器的拟合程度。提出一种基于人工鱼群和模拟退火算法的混合智能寻优算法对J-A模型进行参数辨识。改进算法初期使用变步长人工鱼群算法将搜索域快速锁定在全局最优解的附近。当J-A模型拟合达到一定精度后,转而使用并行模拟退火算法继续进行局部的精确搜索。通过Matlab仿真证实:改进混合算法同时解决了鱼群算法后期寻优效率较低以及退火算法难以大范围搜索的问题,且算法稳定性较高,能有效提高电磁式互感器J-A模型参数辨识的时效性与精确度。

基于Jiles-Atherton逆模型的磁阀式可控电抗器铁心饱和度分析

磁阀式可控电抗器(MCR)是电力系统中的无功补偿装置,其容量调节通过改变磁阀的铁心饱和度实现。为了对MCR的铁心饱和度进行实时、准确的分析,从而优化MCR的输出控制,保障铁心磁阀安全可靠工作,基于Jiles-Atherton(J-A)逆模型对MCR进行数学建模,并通过电磁计算程序,对比分析不同状态变量对MCR输出特性的影响。结果表明,励磁支路的直流激磁电流与饱和度具有较好的线性关系,可以作为铁心饱和度的分析及观测指标。研究及结论有助于实现MCR铁心饱和程度及励磁支路状态的在线监测,优化调控MCR输出无功功率。

Non Linear Magnetic Hysteresis Modelling by Finite Volume Method for Jiles-Atherton Model Optimizing by a Genetic Algorithm

This paper describes a generalization methodology for nonlinear magnetic field calculation applied on two-dimensional (2-D) finite Volume geometry by incorporating a Jiles-Atherton scalar hysteresis model. The scheme is based upon the definition of modified governing equation derived from Maxwell’s equations considered the magnetization M. This paper shows how to extract optimal parameters for the Jiles-Atherton model of hysteresis by a real coded genetic algorithm approach. The parameters identification is performed by minimizing the mean squared error between experimental and simulated magnetic field curves. The calculated results are validated by experiences performed in an SST’s frame.

基于修正J-A模型和改进遗传算法的变压器建模方法

变压器直流偏磁会导致铁心半周饱和,可能导致高压直流输电系统中谐波不稳定现象发生。为实现对直流偏磁条件下变压器运行工况的精确模拟,基于能量守恒式及Langevin方程对原Jiles-Atherton(J-A)模型进行修正;进一步提出了适用于修正J-A模型参数辨识的改进遗传算法,提高了传统遗传算法的全局搜索精度和收敛速度。在PSCAD/EMTDC中基于修正J-A模型搭建了非线性磁滞电感,在此基础上建立变压器仿真模型;基于等比缩小的变压器实物进行直流偏磁实验,将励磁电流仿真波形与实验波形进行对比。结果表明:修正的J-A模型物理意义更加明确,改进遗传算法具有更高的精度和更快的收敛速度,所建变压器模型与实验结果吻合度很高,验证了所提建模方法的准确性。

多周期动态循环应力下的J-A-N力磁耦合机理模型

目前的力磁耦合J-A模型未考虑钉扎场的畴壁厚度与多周期动态循环应力的影响,导致J-A模型的应力磁化数值偏大,不能准确描述早期疲劳损伤。为此,基于畴壁理论和Burgers位错理论,引入畴壁厚度因子,改进J-A模型的钉扎场方程,进一步考虑循环载荷的应力幅、循环周次N等因素,建立了多周期动态循环应力下的J-A-N力磁耦合机理模型。获得了不同动态循环的应力幅值σa与平均应力σm下的磁化规律:相同循环周次下,σa主要影响应力磁化率,σm主要影响应力饱和磁化大小;σm相同时,随着σa的增大,达到应力饱和状态的速度升高;σa相同时,随着σm的增大,应力饱和磁化强度逐渐减小。为验证J-A-N模型有效性,对45钢三点弯曲试件进行了多周期动态循环应力下的磁场信号检测实验,实验结果与模型结果一致。

磁性材料的磁滞建模研究综述

磁性材料作为电机设备能量转换的核心部件,对提升设备效率、稳定运行具有重要意义。新型高功率密度电机的设计对所用磁性材料的磁滞特性模拟预测精度提出了更高的要求,磁滞模型为电机损耗计算、充/去磁曲线分析、磁化饱和分析及在线调磁提供理论支撑。目前从物理建模和唯象建模两种角度出发,提出了多种描述磁滞特性的模型,典型的模型有Preisach、Jiles-Atherton(J-A)、Stoner-Wohlfarth等。分别介绍现有各类磁滞模型的基本原理及研究现状,分析各种磁滞模型的局限性和适用范围,同时阐述磁滞建模在电机设计中的意义,最后分析磁滞特性模拟面临的问题和未来的发展趋势。通过不断改进磁滞建模方法,精确地模拟磁性材料的磁滞特性,以便在新型电力设备、高效能新型电机设计中实现产业化应用。