1、不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析.辅机及其他不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析韩 学，宋文乐，刘 杨，刘 俊，程少宇（.国网河北省电力有限公司沧州供电分公司，河北 沧州；.华北电力大学电气与电子工程学院，北京）摘 要 实际运行工况下，非晶合金变压器的振动噪声要明显高于传统取向硅钢铁芯变压器，其原因主要是相同磁化条件下非晶合金的磁致伸缩现象通常高于冷轧取向电工钢片。因此，深入掌握不同铁磁材料的磁致伸缩特性是有效解决变压器铁芯减振降噪问题的前提和基础。本文首先测试了非晶合金带材在交变磁化下的磁致伸缩特性，得到了不同磁化强度下磁致伸缩回环曲线，以及磁致伸缩峰峰值与磁化强
2、度的关系曲线，并与取向电工钢片的磁致伸缩特性进行了对比分析。在此基础上，仿真计算了一台非晶合金变压器铁芯三维主磁场分布，并结合上述磁致伸缩特性曲线，建立了铁芯振动位移数值仿真模型和声场仿真模型，完成了铁芯结构力场和声场的多物理场耦合计算，得到了磁致伸缩效应引起的非晶变压器铁芯振动位移与噪声分布。最后，对比分析了不同铁磁材料变压器铁芯的振动和噪声。研究结果表明，在同样磁化条件下，非晶合金带材的磁致伸缩应变是取向硅钢片的 倍左右，由此引起的非晶变压器铁芯噪声高于传统硅钢变压器铁芯 左右。关键词 非晶合金；磁致伸缩；变压器；振动位移；声场中图分类号 文献标志码 文章编号（）基金项目：国家自然科学基金
3、（）；河北省电力公司科技项目（），（，；，）：，.大 电 机 技 术 ，：；前言工程实际中，电机、变压器等电气设备在运行过程中的减振降噪技术始终是该领域的一个研究热点。随着人们环保意识的加强，分布在城镇生活区域的变电站产生的噪声问题越来越引起人们的关注。配电变压器铁芯使用的铁磁材料主要有两种：晶粒取向电工钢片和非晶合金带材。非晶合金材料具有较低的磁滞损耗与涡流损耗，由其制作而成的非晶合金变压器作为一种节能环保设备在供配电领域发挥着越来越重要的作用。然而，非晶合金变压器铁芯在运行过程中产生的振动噪声明显高于同级别的硅钢变压器铁芯。究其原因，铁芯的振动噪声是由铁芯材料本身的磁致伸缩效应引起的，而非
4、晶合金材料的磁致伸缩效应更为显著。磁致伸缩效应是指磁性材料在外加磁场的作用下，其体内原杂乱无章分布的磁畴开始转向，逐渐趋同于外磁场方向，宏观表现为磁性材料外形尺寸发生微小变化的现象。当外磁场方向沿着磁性材料表面磁化时，磁致伸缩体现为线性应变，表示为单位长度的伸长或收缩量，单位为 。国内外学者对于磁致伸缩效应引起的铁芯振动噪声研究的主要对象为用硅钢片作为铁芯材料的电机与变压器设备。文献 实验测试并分析了无取向硅钢片的磁致伸缩特性，讨论了磁致伸缩各向异性对电机铁芯形变的影响。文献和基于硅钢片材料的磁致伸缩特性单值曲线，仿真计算了电力变压器的振动噪声。近几年，随着非晶合金材料加工工艺的不断完善，非晶
5、合金变压器铁芯损耗性能及其影响因素的研究引起了人们的关注。文献分析了非晶合金材料制备方法、铁芯加工方式对变压器铁芯损耗的影响。文献实验测试并分析了应力对非晶合金材料损耗性能的影响，仿真计算了铁芯的振动噪声。文献从解析计算角度研究了非晶合金电机铁芯的振动噪声问题。综上所述，受实验条件和数值仿真技术发展水平的限制，目前对配电变压器振动噪声进行分析时，往往忽略了材料本身磁致伸缩特性引起的振动噪声。同时，不同的配电变压器铁芯材料的磁致伸缩特性又存在差异，非晶合金材料的磁致伸缩效应明显高于硅钢片。因此，为了有效解决配电变压器的振动噪声问题，需要从源头，即铁芯材料本身的磁致伸缩特性的精细研究开始。磁致伸缩
6、特性的准确测量和特性分析是解决不同铁芯材料配电变压器振动噪声的前提和基础。针对上述问题，本文首先实验测试了非晶合金带材和取向硅钢片在交流磁化下的磁致伸缩特性，对比分析了两种铁芯材料的磁致伸缩特性。在此基础上，仿真计算了一台非晶合金变压器的铁芯磁场分布，并利用磁致伸缩特性曲线完成了该台变压器铁芯的结构力场和声场的仿真计算。同时，为了对比分析，本文也完成了一台传统硅钢配电变压器铁芯的多物理场仿真计算。文中成果可为非晶合金变压器等相关产品在实际应用中的降振、降噪研究奠定一定理论基础。非晶合金带材与硅钢片磁致伸缩特性测量与分析.测量方法目前，铁磁材料磁致伸缩特性的测量尚未形成 标准，本文借鉴电工钢片磁
7、致伸缩特性的测量方法，来实现非晶合金带材的特性测量。测量原理如图 所示。图中样片置于 匝初级绕组和 匝次级绕组中，初级绕组由功率放大器和波形发生器提供励磁电压；次级绕组可测量样片中的磁通密度信号。长条形样片一端由夹紧装置固定，另一端粘贴上能够与样片一起发生形变的光学目标体，光学传感器向光学目标体发射并接收激光信号，通过这两个信号的微小位移差来计算样片的微小形变。双通道数据采集系统完成磁通密度信号和磁致伸缩应变信号的采集，并传递给计算机进行处理分析。图 磁致伸缩特性测量原理图不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析.测量结果与分析图 所示为测量得到的不同磁通密度下非晶合金和硅钢片磁致伸缩
8、量 随磁通密度 变化的回环曲线。该曲线描述了峰值依次为.、.和.的磁通密度在一个时间周期（频率 ）的变化过程中，磁致伸缩量随磁通密度的变化情况。图 不同铁芯材料磁致伸缩特性测量结果对比图中回环曲线可以看出，磁致伸缩回环关于.轴呈左右对称分布，其变化频率两倍于磁化频率，为。而且，磁致伸缩曲线有两个正峰值和两个负峰值，正峰值代表最大伸长量，负峰值代表最大收缩量。此外，铁磁材料的磁致伸缩峰值随着磁化强度的增大而增加，当磁通密度分别为.、.和.时，非晶合金磁致伸缩的正峰值依次为.、.、.，硅钢片的磁致伸 缩 正 峰 值 分 别 为.、.、.。对比非晶合金与硅钢片的磁致伸缩特性可以发现，在同样磁化条件下
9、，非晶合金的磁致伸缩量远大于硅钢片，数值上约为硅钢片的 倍，可以预见非晶合金铁芯变压器因磁致伸缩效应引起的振动噪声将明显大于同电压等级的传统配电变压器。典型磁密值下对应非晶合金与硅钢片的磁致伸缩峰峰值和磁场强度值见表。表中 代表磁通密度，单位为；为磁致伸缩峰峰值，即磁致伸缩正峰值到负峰值的距离，单位为 ；为磁场强度，单位为 。表 非晶合金与硅钢片磁致伸缩峰峰值和磁场强度 （）（）非晶硅钢非晶硅钢.可以看出，随着磁化强度的增大，磁致伸缩峰峰值不断增加，在磁密达到.时，非晶合金的磁致伸缩峰峰值达到.。同时，为了直观给出较大范围内的材料特性，利用实验测得的数据，绘制了非晶合金与硅钢片磁化特性和磁致伸
10、缩特性的单值曲线，如图 所示。该特性曲线在后续的磁、力场与声场的多物理场仿真计算中将被用来描述材料的磁特性与磁致伸缩特性。图 非晶合金与硅钢片磁特性与磁致伸缩特性单值曲线.大 电 机 技 术 变压器铁芯振动噪声的多物理场仿真方法铁芯振动噪声计算是一个涉及磁场、结构力场及声场的多物理场仿真问题。多物理场耦合仿真主要采用两种方式：直接耦合和间接耦合。其中，直接耦合是指将不同物理场量同时建立控制方程进行求解，其计算规模庞大，计算过程复杂；间接耦合是依次计算各物理场，通过将前一个场的计算结果作为后续场计算的载荷来实现各物理场之间的耦合。间接耦合方法因计算效率高而被广泛用于解决实际工程问题。为了实现非晶
11、合金变压器铁芯振动噪声分析，本文采用 多物理场仿真软件的磁场、结构力场与声场模块完成了一台 型非晶合金变压器多物理场间接耦合仿真。进行磁场计算时，考虑到本文重点研究铁芯磁致伸缩引起的振动噪声问题，因此仿真的工况设为变压器空载运行，即一次侧施加额定电压，二次侧开路。为了解决电压源激励时数值仿真计算过渡过程时间长的问题，采用三相电流源作为激励源，施加空载电流，三相电流相位相差。采用基于麦克斯韦方程组描述的三维涡流问题的数学模型为：（）（）（）式中，为源电流密度；为矢量磁位；为标量电位；为铁芯磁阻率。本文采用如图（）所示的曲线描述非晶合金铁芯的非线性磁特性。在进行变压器铁芯的振动位移仿真时，需要给出
12、结构力场的初始条件。变压器本体振动主要由铁芯磁致伸缩引起的振动位移和线圈绕组电磁力产生的振动位移组成。由于本文重点研究磁致伸缩引起的铁芯振动位移，因此，建立初始条件时给定的是非晶合金铁芯磁致伸缩现象引起的初始位移。该初始位移的确定方法如下：基于上述变压器铁芯的磁场仿真结果，可以得到每个剖分单元的磁通密度数值，再基于图（）描述的磁致伸缩单值曲线，表述磁致伸缩与磁通密度的数学关系，得到每个单元节点的磁致伸缩量作为振动的初值。此外，变压器在运行中器身始终水平放置在地面，不会产生振动位移，因此在非晶合金变压器铁芯下轭施加约束。振动位移满足的微分方程为：（）式中，为应变；为应力；为振动位移；为弹性模量。
13、铁芯的振动是产生声音的根源，声压可以用来描述声音的强弱。声源的振动是以波的形式在介质中传播，进而形成声场。声压满足的控制方程为：（）（）式中，为流体密度；为偶极源；为单极源；为声压；为声速。计算结果与分析.非晶变压器卷绕铁芯振动噪声图（）所示为非晶合金卷绕铁芯三维主磁场磁通密度分布情况，由图可知在激励峰值时刻，非晶合金卷绕铁芯芯柱平均磁密在.左右。图（）和（）所示为铁芯结构力场和声场的仿真结果，可以看出，铁芯振动最大位移约为.，发生在铁芯第 个卷绕框与第 个卷绕框中间的位置，由此产生的最大噪声声压达到。图 非晶卷绕铁芯磁场、结构力场与声场仿真结果不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析
14、.非晶变压器叠片铁芯振动噪声为了研究铁芯不同叠压方式对其振动噪声的影响，本文给出了非晶合金叠片铁芯的多物理场仿真结果，如图 所示。可以看出，磁场分布规律及数值大小与图（）基本相同，但铁芯振动位移和噪声略大于卷绕铁芯，分别为.和。图 非晶叠片铁芯磁场、结构力场与声场仿真结果.硅钢变压器叠片铁芯振动噪声图 所示为同容量等级的传统硅钢配电变压器铁芯多物理场仿真结果。可以看出，硅钢叠片铁芯工作磁密在.左右；振动位移最大值为.，约为非晶叠片铁芯的；噪声最大值为，较非晶铁芯引起的噪声小 左右。研究结果表明，尽管非晶合金变压器具有低损耗的优势，但其振动要更为明显，而非晶卷绕铁芯的噪声相较于非晶叠片铁芯具有一
15、定的优势。图 硅钢叠片铁芯磁场、结构力场与声场仿真结果 结论本文重点研究了配电变压器常用铁芯材料，即非晶合金与取向电工钢片的磁致伸缩特性，并实现了变压器空载运行下铁芯磁场、结构力场与声场的多物理场联合仿真计算，分析了铁芯磁致伸缩效应引起的振动噪声，主要研究结论如下：（）实测对比了非晶合金带材和硅钢片的磁致伸缩特性，测试结果表明：随着磁化强度的增加，磁致伸缩峰峰值不断增大；磁致伸缩回环的对称分布表明磁致伸缩变化频率为磁化频率的 倍；非晶合金材料的磁致伸缩量是取向硅钢的 倍左右。（）对非晶合金和硅钢片变压器铁芯的磁场和结构力场进行了仿真分析，结果表明：非晶卷绕铁芯的振动位移略小于非晶叠片铁芯，但相
16、较于传统硅钢配电变压器，其噪声高 左右。研究结果表明，磁致伸缩效应是引起非晶合金变压器铁芯振动噪声的主要原因，采用低磁致伸缩的非晶材料是解决非晶变压器铁芯减振降噪问题的一种有效途径。.大 电 机 技 术 本文研究成果不仅完善了配电变压器铁芯材料磁致伸缩特性数据描述，同时也为配电变压器进一步的优化设计提供了必要的参考依据。参 考 文 献 卢素华，陈彬，刘思苑，等 基于多场耦合的断条状态下感应电机电磁振动噪声规律研究大电机技术，（）：王韬，孙玉田，王倩，等 基于多物理场耦合的感应电机噪声分析 大电机技术，（）：李冰，王泽忠，刘海波，等 直流偏磁下 单相变压器振动噪声的试验研究 电工技术学报，（）：张仕民，丰遥 基于振动信号的变压器铁心与绕组故障区分方法 电测与仪表，（）：姚志松，姚磊 新型配电变压器结构、原理和应用 北京：机械工业出版社，（）：，（）：，（）：祝丽花，杨庆新，闫荣格，等 考虑磁致伸缩效应电力变压器振动噪声的研究 电工技术学报，（）：张艳丽，王洋洋，张殿海，等 交变磁化下电工钢片的矢量磁致伸缩特性 中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：王园弟，张艳丽，张殿海，等 无取向电工