学术简报｜基于极限磁滞回线法的软磁复合材料磁特性模拟
西安交通大学电气工程学院、国网陕西省电力公司建设分公司、河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室、悉尼大学工程与信息技术学院的研究人员段娜娜、徐伟杰等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文指出，软磁复合材料由于其磁各向异性、低损耗、易加工、成本低等优点，在含有三维磁路结构的电磁设备（如球形电机、爪极电机、横向磁通电机等）中具有巨大的应用潜力，因此在电气工程领域引起了广泛关注。
为准确模拟软磁复合材料在复杂磁化条件下的磁特性，本文提出基于Preisach磁滞模型的极限磁滞回线法。该方法通过Preisach平面几何描述和分离分布函数变量解决经典Preisach模型中分布函数难以确定的问题，只需要极限磁滞回线的数据就能够模拟包括主磁滞回线和多阶回转曲线在内的多种磁特性。根据模拟得到的不同压力作用下的一阶回转曲线族求出不同压力下所对应的分布函数，同时引入包含压力在内的分布函数表达式，使其能够考虑压力变化对材料磁特性的影响。最后通过与实验结果对比，验证极限磁滞回线法的有效性和正确性。
软磁复合（Soft Magnetic Composite, SMC）材料是一种将铁粉颗粒表面覆盖着绝缘层和起粘合作用的有机材料后，再采用粉末冶金工艺将其压制成型的块状材料，如图1所示。与传统的电工硅钢片相比，SMC材料具有磁热各向同性、低损耗、易加工、成本低等优点，可以广泛应用于球形电机、爪极电机、横向磁通电机等具有三维磁路拓扑结构的电磁装置中。在过去十几年里，SMC材料已经逐步在电工领域得到了应用和推广。因此SMC材料的磁特性也受到越来越多的关注。
图1 软磁复合材料中被绝缘层包裹的铁粉颗粒
目前针对SMC材料磁特性的研究主要集中在材料的磁特性测量和模拟两个方面。其中悉尼科技大学的朱建国团队是世界上最早开展SMC材料磁特性研究的团队之一，其开发的三维磁特性测量装置首次对SMC材料进行了全面的三维测量分析。河北工业大学李永建等提出了宽频三维磁特性测量的柔性励磁方法，研制出了改进的立交三激励三维磁特性测量装置，并对SMC材料在宽频范围、旋转励磁条件下的三维磁特性进行了详细的测量。沈阳工业大学张艳丽等建立了双激励型电工钢片二维磁特性测量系统，对硅钢片等软磁材料的二维磁特性进行了测量研究。
磁性材料的磁特性模拟一直是电磁计算领域的研究热点与难点。为了提高电磁设备的工作性能，国内外众多专家学者致力于对电磁设备中的电工磁性材料磁特性进行精确建模分析，同时也涌现了各种类型的磁滞模型，其中传统的磁滞模型主要有Preisach模型、Stoner-Wohlfarth（S-W）模型、E&S模型、Jiles-Atherton（J-A）模型、混合磁滞模型等。但是这些模型都具有一定的局限性，难以在工程领域推广应用，例如Preisach模型的分布函数难以确定，S-W模型只能对的单个粒子进行模型，E&S模型和J-A模型的需要对大量参数进行辨识。
为了改进传统磁滞模型中的不足，近年来国内外研究学者也提出了一系列的修正模型，其中张艳丽等从工程应用的角度对E&S模型进行了改进，建立了基于二维磁特性测量的电工钢片矢量磁滞模型。李丹丹等结合经典Preisach模型和S-W模型的建模原理，提出混合矢量模型的建模方法，对不同频率不同幅值的正弦交变和圆形旋转磁化场下SMC材料的磁滞特性进行数值模拟。张长庚等提出一种基于旋转磁特性测量的瞬态矢量磁滞损耗模型，能够预测对空间任意磁通密度轨迹的瞬时磁滞铁耗。
本文首先介绍了极限磁滞回线法的基本原理和建模过程；然后基于极限磁滞回线法对SMC材料在复杂交变磁场作用下的磁特性进行模拟仿真；同时，考虑压力对SMC材料磁特性的影响，对不同压力作用下的磁特性进行模拟；然后根据极限磁滞回线法模拟得到的一阶回转曲线数据，回归得出SMC材料所对应的Preisach分布函数，同时根据SMC材料的磁化机理修正分布函数中特征参数，使其能够考虑外界压力变化对材料磁化过程的影响。最后，借助三维磁测量装置对SMC材料的磁特性进行测量，验证极限磁滞回线法的有效性。
图7 三维磁特性测量装置示意图
本文基于极限磁滞回线法对SMC材料在复杂交变磁场下的磁特性进行了模拟研究，规避了传统磁滞模型中分布函数难以确定的问题。在此基础上，通过一阶回转曲线法建立了能够考虑压力影响的磁滞模型。根据实验测量结果与模型仿真结果的对比，可以发现该方法能够准确有效地模拟SMC材料在不同交变磁场、不同压力下的磁特性，从而能够对复杂环境下电磁设备电磁特性进行精确地分析和计算，为电磁设备的优化设计与电磁特性精确分析计算提供了理论依据和实现手段。