隨著不斷上升的能源消耗以及對電力和配電變壓器的需求不斷增加，越來越多的變壓器裝置安裝在住宅區(qū)附近。因此，對低噪聲變壓器的需求不斷增長，變壓器制造商必須遵守嚴(yán)格的噪聲法規(guī)。然而，設(shè)計人員在降低磁致伸縮引起的噪聲方面面臨許多挑戰(zhàn)。

變壓器的有源部件

變壓器由兩個主要有源部件組成：鐵芯和繞組。變壓器的鐵芯由一堆由高磁導(dǎo)率晶粒取向電工鋼板制成的硅鋼片組成。硅鋼片非常薄，但在其他兩個維度上可能相當(dāng)大。例如，圖1顯示了正在組裝的三相變壓器鐵芯中的硅鋼片。

圖1：分段式變壓器硅鋼片

圖2所示的繞組由纏繞在鐵芯上的銅或鋁導(dǎo)線制成，提供電輸入和輸出。繞組中的電流產(chǎn)生穿過鐵芯的磁場。

圖2：三相變壓器的三柱式鐵芯和繞組

噪音來源

變壓器中有許多噪聲源。其中一個來源是通過磁致伸縮改變磁場而改變鐵芯硅鋼片尺寸引起的振動。

值得一提的是，電磁力（包括磁致伸縮力）具有基頻是工頻兩倍的諧波分量，基頻約為100Hz。因此，頻率范圍高達(dá)20 kHz的任何諧波都可能構(gòu)成可聽到的噪聲。

有幾個因素在降低噪音方面起作用。其中，不同硅鋼片材料和鐵芯的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生明顯的差異。因此，了解在實際操作條件下，材料特性和裝配形式對鐵芯的磁致伸縮效應(yīng)至關(guān)重要。

究竟什么是磁致伸縮？

作為簡短的背景介紹，磁致伸縮是磁性材料的一種特性，會使材料在磁場的影響下改變其物理尺寸。當(dāng)磁化場周期性變化時，鐵芯尺寸也會周期性變化。這種周期性變化會導(dǎo)致振動，從而產(chǎn)生噪音。

然而，關(guān)于磁致伸縮需要注意的一件事是，物理尺寸的變化是微小的，使得測量這種效應(yīng)非常困難。圖3中的圖表顯示了從測量中獲得的磁致伸縮蝴蝶曲線。在這里，磁致伸縮應(yīng)變會被測量幾個周期，并表示為隨磁場變化的函數(shù)。蝴蝶曲線圖表示應(yīng)變?yōu)橐粋€周期內(nèi)通量密度的變化。如圖所示，物理尺寸變化在微米/米的范圍內(nèi)。

圖3：磁致伸縮系數(shù)與磁通密度的關(guān)系

晶粒取向?qū)訅盒局械拇胖律炜s力

另一個復(fù)雜問題是變壓器行業(yè)使用晶粒取向電工鋼。這意味著材料的磁性是各向異性的。這也意味著磁致伸縮特性是高度各向異性的。在這種情況下，測量將更加困難。通常，晶粒取向鋼的材料性能測量有兩個方向。圖 4 中應(yīng)變的峰峰值變化與磁通密度的函數(shù)關(guān)系顯示了明顯的各向異性特征。如圖所示，與軋制方向（藍(lán)色）的應(yīng)變相比，沿橫向（橙色）的應(yīng)變要高得多。

圖 4 ：應(yīng)變的峰峰值與峰值通量密度的關(guān)系

最重要的是，設(shè)計人員需要的是評估磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。對于這樣的評估，振動聲學(xué)分析軟件首先需要來自電磁模擬的磁致伸縮力。

例如，圖5所示的鐵芯是一疊晶粒取向的電工鋼層壓板，沿不同段的軋制方向產(chǎn)生磁通路徑。

圖 5：在 Simcenter MAGNET 中建模的層壓鐵芯，軋制方向（藍(lán)色），橫向（紅色）

為了進(jìn)行仿真，系統(tǒng)需要軋制和橫向的磁性材料屬性，以及結(jié)構(gòu)屬性作為輸入。

Simcenter MAGNET 2021.1以上版本包含一個數(shù)值模型，該模型采用單軸測量數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為各向異性屬性數(shù)據(jù)。換句話說，系統(tǒng)會自動重建整個 3×3 應(yīng)變張量。

接頭和交界面處明顯的磁致伸縮力

Simcenter MAGNET中提供的解決方案通過為用戶提供輸入磁致伸縮材料屬性數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)屬性的功能來解決仿真挑戰(zhàn)。

下圖表示磁致伸縮力密度的大小和方向。重要的是，通過查看分享，可以看到層壓的哪些部分正在收縮，哪些部分正在膨脹，從而導(dǎo)致振動。

圖6：磁致伸縮力密度場

如圖6所示，接縫周圍的磁致伸縮力密度最強。這種效應(yīng)與應(yīng)變片測量結(jié)果一致。圖7顯示了其中一個拐角處的磁致伸縮力密度箭頭圖（L型接頭）。在這里，設(shè)計人員可以更清楚地檢查旋轉(zhuǎn)力場。

圖7：接縫附近的磁致伸縮力密度

事實上，由于硅鋼片之間可能有不同的疊壓方式，接縫區(qū)域非常復(fù)雜。這些區(qū)域通常會發(fā)生較大的變形。

磁致伸縮力主要是鐵芯中的內(nèi)力。然而，磁致伸縮力還有另一個組成部分。這是作用在兩種不同材料之間界面上的力。此力表示接口處存在的不連續(xù)性。圖8中的場圖顯示了鐵芯和周圍空氣之間界面上力密度的這一分量。當(dāng)然，人們不能忽視磁致伸縮力的這一重要組成部分。

圖 8： 磁致伸縮不連續(xù)力密度 – （a） 2D 圖，（b） 3D 圖

進(jìn)一步的振動和噪聲分析

最后，設(shè)計人員對由此產(chǎn)生的振動和噪聲感興趣。這需要節(jié)點磁致伸縮力作為結(jié)構(gòu)分析軟件中的載荷。節(jié)點磁致伸縮力是內(nèi)力和界面上的力之和。例如，圖 9 中顯示的電抗器力場圖是導(dǎo)出到 Simcenter 3D 用于振動和噪聲研究的節(jié)點力。

圖9：電抗器的磁通密度和磁致伸縮力

在Simcenter 3D中進(jìn)行的振動噪聲仿真，我們將在后續(xù)文章中介紹。

文章來源：simcenter3d