磁致伸縮
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-08-17
磁致伸縮的實例教程
然而，設計人員在降低磁致伸縮引起的噪聲方面面臨許多挑戰。
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線制成，提供電輸入和輸出。繞組中的電流產生穿過鐵芯的磁場。
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20 kHz的任何諧波都可能構成可聽到的噪聲。
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構會產生明顯的差異。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至關重要。
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致振動，從而產生噪音。
然而，關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，磁致伸縮應變會被測量幾個周期，并表示為隨磁場變化的函數。蝴蝶曲線圖表示應變為一個周期內通量密度的變化。如圖所示，物理尺寸變化在微米/米的范圍內。
圖3：磁致伸縮系數與磁通密度的關系
晶粒取向層壓芯中的磁致伸縮力
另一個復雜問題是變壓器行業使用晶粒取向電工鋼。這意味著材料的磁性是各向異性的。
展開 磁致伸縮換能器用于聲吶、聲學裝置、主動振動、位置控制和燃油噴射系統。在金屬無損檢測方面應用的也比較多。
（1）模型介紹
線圈通入正弦脈沖激勵電流：
（2）仿真結果
應力和形變分析
回波分析
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韓芳旭等［3］基于磁致伸縮力-熱應力比擬的數值計算方法建立電磁場數值模型，求解鐵心每個節點不同時刻的磁密值，加載試驗測得的硅鋼片磁致伸縮特性曲線，仿真得到鐵心每個時間步各個節點的磁致伸縮力，導入到結構場計算模型中求得鐵心本體的振動位移。在鐵心振動模型的研究方面，朱葉葉等［4］、張黎等［5］建立了鐵心材料磁致伸縮的本質模型，利用彈性力學原理描述硅鋼片材料的本構關系，將不同磁感應強度下的磁致伸縮應變轉化為應力，采用弱耦合的形式對鐵心應力場進行仿真分析。祝麗花［6］采用方圈法測試硅鋼片磁化特性以及材料的磁致伸縮數據，建立電磁-結構耦合模型，仿真獲得了鐵心磁場與振動位移。王佳音［7］詳細測量了多種取樣方向硅鋼片的磁化曲線與磁致伸縮曲線，獲得了比較詳細的材料各向異性數據，便于模擬各種情形下的仿真條件。張哲［8］建立了考慮材料磁致伸縮特性的磁-機械耦合模型，相比于硅鋼片電機，非晶合金電機鐵心振動量更大，且磁致伸縮受應力影響程度更加明顯。張鵬寧等［9］從直流偏磁機理和振動噪聲基本原理著手，將電磁場、結構力場和聲場進行耦合計算完成直流偏磁下鐵心振動和噪聲問題的研究，分析了偏磁狀態下鐵心本體的振動情況，得到了一般性結論。祝麗花等［10］利用能量變分原理以強耦合方式描述鐵心磁場與應力場之間的關系，建立了電力變壓器鐵心磁致伸縮三維仿真模型，計算了鐵心在空載運行時的磁感應強度分布和振動分布。魏亞軍等［11］、莫娟等［12］通過建立電磁場與應力場的偏微分方程，研究了鐵心和繞組在不同負載條件下的磁通分布和應力應變。劉宏亮［13］提出在變壓器鐵心的接縫處，硅鋼片的磁感應強度分布較為復雜，在垂直硅鋼片材料軋制方向上，磁致伸縮增大了數十倍，比較合理地解釋了鐵心在接縫處振動較大的問題。張鵬寧等［14］對比不同磁致伸縮數學模型，利用 COMSOL多場仿真軟件建立了一臺高壓電抗器鐵心本體結構的振動計算模型。
展開 鐵心產生噪聲原因是構成鐵心硅鋼片交變磁場作用下，會發生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率變化做周期性振動，鐵心磁致伸縮變形和繞組、油箱及磁屏蔽內電磁力所引起。繞組產生振動原因是電流繞組中產生電磁力，漏磁場也能使結構件產生振動。電磁噪聲產生原因是磁場誘發鐵心疊片沿縱向振動產生噪聲，該振動幅值與鐵心疊片中磁通密度及鐵心材質磁性能有關，而與負載電流關系不大。電磁力(和振動幅值)與電流平方成正比，而發射聲功率與振動幅值平方成正比。
2. 模型介紹
如模型示意圖所示， 本模型為單相變壓器，電源電壓為25V正弦交流電，頻率為50Hz，初級線圈繞組數為300匝，求解變壓器在工作過程中由于軟鐵磁致伸縮所帶來的噪聲問題。
圖1 幾何模型示意圖
3. 物理場選擇及邊界條件設置
本模型主要選擇了COMSOL中的磁場模塊、電路模塊、固體力學、壓力聲學模塊進行多物理場耦合，詳細的物理場選擇及邊界條件設置如圖2所示。
圖2 詳細的物理場選擇及邊界條件設置
4. 結果展示
圖3 繞組電流分布
圖4 鐵芯內部磁場
圖5 鐵芯磁致伸縮變形
圖6 鐵芯周圍聲壓分布
圖7 鐵芯振動動圖
文章來源：iCAE
展開 （5）變壓器本身的鐵心發出過大的聲響，這是變壓器最主要的噪音來源，干變鐵心所用的材料目前來看主要還是硅鋼片，硅鋼片型號不同，質量也不同，鐵心在導磁過程中會引起硅鋼片的磁致伸縮。
所謂硅鋼片的磁致伸縮就是當鐵心勵磁時，沿磁力線方向硅鋼片的尺寸要增加，而垂直于磁力線方向硅鋼片的尺寸要縮小。當鐵心中磁通密度達到一定數值時，每米長度下的硅鋼片磁致伸縮的尺寸一般為10 -7 ～10 -5 ｍｍ。
磁致伸縮使得鐵心隨著勵磁頻率的變化而周期地振動。鐵心硅鋼片隨著勵磁的工頻電壓會發生100次的磁致伸縮。所以減小因硅鋼片磁致伸縮而引起的噪聲的方法有：
①使用優質硅鋼片。優質硅鋼片的含硅量較高，具有較好的磁致伸縮，磁致伸縮通常用ε 表示，它等于勵磁時硅鋼片片長的變化量與片長的比值：ε ＝ΔＬ／Ｌ。
ε 大小取決于勵磁時硅鋼片中的轉動情況，而冷軋取向硅鋼片可使97％的硅鋼片中的晶粒有最佳方向，故而ε 值較小，有利于降低變壓器噪聲。
②降低鐵心的磁通密度Ｂ。實驗表明，一般磁通密度Ｂ 在1.5-1.8T 范圍內，如果鐵心中的磁通密度Ｂ 降低0.1T，鐵心的噪聲可降低2 -3 個ｄＢ（W），不過這樣會增加變壓器制造成本。
③改變結構。目前多數用的鐵心是疊片式的，搭接部位不好也會增加鐵心的噪音，而最新研制的立體型干式變壓器改變了傳統的平面結構，這種鐵心采用三相對稱立體式結構，采用卷繞方式沒有了搭接，使三相鐵心磁路對稱，三相電壓完全平衡，勵磁電流空載損耗顯著降低，從而使運行噪聲更低。
1.2 變壓器外部結構引起的噪音及解決方法
（1）干式變壓器一般都帶有風機冷卻系統，干式變壓器的異常噪音，也常常是風機系統的故障所引起的。
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</p><p>?工作原理：在提升閥的執行機構上安裝高精度的位置傳感器（如磁致伸縮位移傳感器），實時監測閥芯的實際位置，并將信號反饋給控制器，控制器將實際位置與目標位置進行比較，通過PID算法不斷修正輸出信號，直到誤差趨近于零。</p><p>?適用場景：半導體制造、高精度注塑成型、以及任何對位置精度要求達到微米級的尖端領域。
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wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><strong>磁心磁致伸縮噪聲分析</strong></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/gokLzdV2z0YhiayaLt2cztcYXlqYy6jSbNsZvwzgSd3up5gPO4MS1K8DpfPLdEOH9ib444eIzlntp6VELiaQMQPHQ
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磁致伸縮線性編碼器可以在不接觸的情況下測量線性運動的位移，例如在液壓缸內的應用。運動業務部門的智能緊湊驅動器可作為執行器或過程驅動。定制的控制和測量模塊融入了專業的壓力和沖壓技術，進一步完善了整個產品組合。組件業務部門提供自動化組件。自動化業務部門所提供的發展服務將升級壓力線性能，并利用智能計量解決方案提高能源利用效率，實現遠程監控水供網絡和智能加熱自動化。
產品用途：
普通和超導磁體用的電磁鐵極頭、小型電源變壓器、扼流圈、磁放大器的鐵芯、航空馬達和發電機的轉子和定子、電話振動片、磁致伸縮換能器和超聲波發生器的振子、航空功率變壓器、和打印關頭等。
磁致伸縮導致的振動噪音
硅鋼片的磁致伸縮會引起鐵芯內部發生變形和應力，如下圖所示，在橫向和縱向上硅鋼片都會受磁場激勵發生微觀應變。這種應力和應變，使定子鐵心隨勵磁頻率的變化作周期性振動，當磁致伸縮頻率與鐵心固有頻率發生共振時，會對電機的振動噪聲有一定的影響。
