随着不断上升的能源消耗以及对电力和配电变压器的需求不断增加，越来越多的变压器装置安装在住宅区附近。因此，对低噪声变压器的需求不断增长，变压器制造商必须遵守严格的噪声法规。然而，设计人员在降低磁致伸缩引起的噪声方面面临许多挑战。

变压器的有源部件

变压器由两个主要有源部件组成：铁芯和绕组。变压器的铁芯由一堆由高磁导率晶粒取向电工钢板制成的硅钢片组成。硅钢片非常薄，但在其他两个维度上可能相当大。例如，图1显示了正在组装的三相变压器铁芯中的硅钢片。

图1：分段式变压器硅钢片

图2所示的绕组由缠绕在铁芯上的铜或铝导线制成，提供电输入和输出。绕组中的电流产生穿过铁芯的磁场。

图2：三相变压器的三柱式铁芯和绕组

噪音来源

变压器中有许多噪声源。其中一个来源是通过磁致伸缩改变磁场而改变铁芯硅钢片尺寸引起的振动。

值得一提的是，电磁力（包括磁致伸缩力）具有基频是工频两倍的谐波分量，基频约为100Hz。因此，频率范围高达20 kHz的任何谐波都可能构成可听到的噪声。

有几个因素在降低噪音方面起作用。其中，不同硅钢片材料和铁芯的结构会产生明显的差异。因此，了解在实际操作条件下，材料特性和装配形式对铁芯的磁致伸缩效应至关重要。

究竟什么是磁致伸缩？

作为简短的背景介绍，磁致伸缩是磁性材料的一种特性，会使材料在磁场的影响下改变其物理尺寸。当磁化场周期性变化时，铁芯尺寸也会周期性变化。这种周期性变化会导致振动，从而产生噪音。

然而，关于磁致伸缩需要注意的一件事是，物理尺寸的变化是微小的，使得测量这种效应非常困难。图3中的图表显示了从测量中获得的磁致伸缩蝴蝶曲线。在这里，磁致伸缩应变会被测量几个周期，并表示为随磁场变化的函数。蝴蝶曲线图表示应变为一个周期内通量密度的变化。如图所示，物理尺寸变化在微米/米的范围内。

图3：磁致伸缩系数与磁通密度的关系

晶粒取向层压芯中的磁致伸缩力

另一个复杂问题是变压器行业使用晶粒取向电工钢。这意味着材料的磁性是各向异性的。这也意味着磁致伸缩特性是高度各向异性的。在这种情况下，测量将更加困难。通常，晶粒取向钢的材料性能测量有两个方向。图 4 中应变的峰峰值变化与磁通密度的函数关系显示了明显的各向异性特征。如图所示，与轧制方向（蓝色）的应变相比，沿横向（橙色）的应变要高得多。

图 4 ：应变的峰峰值与峰值通量密度的关系

最重要的是，设计人员需要的是评估磁致伸缩效应产生的噪声。对于这样的评估，振动声学分析软件首先需要来自电磁模拟的磁致伸缩力。

例如，图5所示的铁芯是一叠晶粒取向的电工钢层压板，沿不同段的轧制方向产生磁通路径。

图 5：在 Simcenter MAGNET 中建模的层压铁芯，轧制方向（蓝色），横向（红色）

为了进行仿真，系统需要轧制和横向的磁性材料属性，以及结构属性作为输入。

Simcenter MAGNET 2021.1以上版本包含一个数值模型，该模型采用单轴测量数据并将其转换为各向异性属性数据。换句话说，系统会自动重建整个 3×3 应变张量。

接头和交界面处明显的磁致伸缩力

Simcenter MAGNET中提供的解决方案通过为用户提供输入磁致伸缩材料属性数据以及结构属性的功能来解决仿真挑战。

下图表示磁致伸缩力密度的大小和方向。重要的是，通过查看分享，可以看到层压的哪些部分正在收缩，哪些部分正在膨胀，从而导致振动。

图6：磁致伸缩力密度场

如图6所示，接缝周围的磁致伸缩力密度最强。这种效应与应变片测量结果一致。图7显示了其中一个拐角处的磁致伸缩力密度箭头图（L型接头）。在这里，设计人员可以更清楚地检查旋转力场。

图7：接缝附近的磁致伸缩力密度

事实上，由于硅钢片之间可能有不同的叠压方式，接缝区域非常复杂。这些区域通常会发生较大的变形。

磁致伸缩力主要是铁芯中的内力。然而，磁致伸缩力还有另一个组成部分。这是作用在两种不同材料之间界面上的力。此力表示接口处存在的不连续性。图8中的场图显示了铁芯和周围空气之间界面上力密度的这一分量。当然，人们不能忽视磁致伸缩力的这一重要组成部分。

图 8： 磁致伸缩不连续力密度 – （a） 2D 图，（b） 3D 图

进一步的振动和噪声分析

最后，设计人员对由此产生的振动和噪声感兴趣。这需要节点磁致伸缩力作为结构分析软件中的载荷。节点磁致伸缩力是内力和界面上的力之和。例如，图 9 中显示的电抗器力场图是导出到 Simcenter 3D 用于振动和噪声研究的节点力。

图9：电抗器的磁通密度和磁致伸缩力

在Simcenter 3D中进行的振动噪声仿真，我们将在后续文章中介绍。

文章来源：simcenter3d