磁致伸縮的案例
Simcenter變壓器磁致伸縮仿真
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 COMSOL磁致伸縮仿真
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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變壓器鐵心電磁振動仿真及影響因素研究
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 COMSOL變壓器噪聲仿真
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
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【探討】10kV干式變壓器之我見——運行中的噪音
（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。
展開 電力變壓器直流偏磁振動噪聲特征研究
鐵心的振動是由硅鋼片的磁致伸縮效應引起的。所謂磁致伸縮就是鐵心在勵磁時，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減小。
它通過兩條途徑傳遞給油箱，一條是固體途徑傳遞——鐵心的振動通過墊腳傳至油箱；另一條是液體途徑——鐵心的振動通過絕緣油傳至油箱。繞組的振動是由電磁力引起的，主要通過絕緣油傳至油箱。風扇等冷卻裝置的振動通過固體的途徑也會傳至變壓器油箱。變壓器箱體的振動與噪聲傳遞原理示意圖如圖1所示。
圖1 變壓器振動原理示意圖
1.2 變壓器偏磁振動特征
由于磁致伸縮的變化周期是電源頻率的半個周期，變壓器正常工作時，勵磁電流在正負半周是對稱的，交流勵磁磁通在正負半周是對稱的，因而磁致伸縮位移在磁通變化的一個周期內也是對稱的。所以，磁致伸縮引起的變壓器本體的振動噪聲是以兩倍的電源頻率為基頻（100Hz）。
考慮到磁致伸縮的非線性，多級鐵心中心柱和鐵軛相應級的截面積不同等原因以及外界干擾，使得變壓器鐵心振動的噪聲頻譜中除了基頻噪聲之外，還產生有其頻率為基頻整數倍的高頻偶次波噪聲（如200Hz, 300Hz, 400Hz）。
在直流偏磁的情況下，勵磁電流會呈現出正負半波不對稱的形狀。與偏磁方向一致的半個周波大大增加，另外半個周波反而減小。在這種情況下，鐵心磁致伸縮位移在一個周波內將出現不對稱，導致振動噪聲中不僅含有偶次諧波，還會出現奇次諧波分量。
展開 電子設備運行時，有時聽到"嘰"的噪音是什么引起的？
圖5 磁性體磁致伸縮（磁應變）作用
磁性體是稱為磁疇的小范圍的集合體（圖5）。磁疇內部的原子磁矩朝向相同，因此磁疇是一個自發磁化朝向恒定的微小磁鐵，但磁性體整體卻不會表現出磁鐵的特性。這是因為，構成磁性體的多個磁疇，其排列使自發磁化相互抵消，因此從表面上來看處于消磁狀態。
從外部對處于該消磁狀態的磁性體施加磁場時，各個磁疇會將自發磁化朝向統一為外部磁場方向，因此磁疇范圍會逐漸發生變化。該現象由磁疇間邊界——磁壁的移動所引起。由此，隨著磁化的進行，處于優勢的磁疇逐漸擴大其范圍，最終成為單一磁疇，并朝向外部磁場方向（飽和磁化狀態）。該磁化過程中，在原子水平下會發生微小的位置變化，而在宏觀水平下，則會表現為磁致伸縮，即磁性體的外形變化。
磁致伸縮導致的外形變化極其微小，約為原尺寸的1萬分之1～100萬分之1，但如圖5所示，在磁性體上繞有線圈的狀態下流過電流，當施加所產生的交流磁場時，磁性體將會反復伸縮，并產生振動。為此，在功率電感器中，無法完全消除磁致伸縮所導致的磁性體磁芯振動。功率電感器單體振動水平雖小，但當貼裝至基板上時，若其振動與基板的固有振動數一致，則振動將會被放大，從而會聽到嘯叫。
振動原因2：磁性體磁芯磁化導致相互吸引
磁性體被外部磁場磁化時將會表現出磁鐵性質，從而與周圍磁性體相互吸引。圖6所示為全屏蔽型功率電感器示例。此為閉合磁路結構的功率電感器，但鼓芯與屏蔽磁芯(環形磁芯)間設有間隙，噪音有時會從該處發出。繞組中流過交流電流時，因產生的磁場而被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會因磁力而相互吸引，若該振動在人耳可聽頻率范圍內時，則會聽到噪音。
展開 配電變壓器的噪聲與振動分析
結論
考慮硅鋼片的各向異性和磁致伸縮影響，分析了配電變壓器的噪聲和振動性能。利用ANSYS軟件建立了基于三維有限元法的電磁-機械-聲場多物理工作流程。以某200kVA配電變壓器為例，分析了三維有限元工作流程。仿真結果與變壓器數據表數值吻合較好，驗證了耦合仿真的有效性。所提出的仿真工作流程適合于變壓器噪聲和振動的仿真，或有助于開發新的變壓器診斷方法。
文章來源：牛眼看變壓器
電力變壓器噪聲問題分析(產生原因/聽聲辯好壞/解決方法...)
一:降低變壓器本體噪聲
鐵心采取的技術措施
1：選用磁致伸縮ε小的優質硅鋼片優質硅鋼片提高了結晶方位的完整度，特殊涂層增加了其抗張力，從而降低了其磁致伸縮ε。在磁通密度為1.5T時，高晶粒取向硅鋼片的磁致伸縮ε只有一般硅鋼片的60%。因此，在相同磁密下，優質硅鋼片的磁致伸縮ε較小，產生的振動也相應較小，噪聲可降低2~4dB(A)。
2：降低鐵心的磁通密度B 鐵心的額定工作磁密B通常取決于噪聲及空載損耗的要求值。試驗結果表明，額定磁密B在1.5~1.8T范圍內，磁密每降低0.1T，鐵心的噪聲可降低2~3dB(A)。
展開 電力變壓器噪聲問題分析(產生原因/聽聲辯好壞/解決方法...)
一:降低變壓器本體噪聲
鐵心采取的技術措施
1：選用磁致伸縮ε小的優質硅鋼片優質硅鋼片提高了結晶方位的完整度，特殊涂層增加了其抗張力，從而降低了其磁致伸縮ε。在磁通密度為1.5T時，高晶粒取向硅鋼片的磁致伸縮ε只有一般硅鋼片的60%。因此，在相同磁密下，優質硅鋼片的磁致伸縮ε較小，產生的振動也相應較小，噪聲可降低2~4dB(A)。
2：降低鐵心的磁通密度B 鐵心的額定工作磁密B通常取決于噪聲及空載損耗的要求值。試驗結果表明，額定磁密B在1.5~1.8T范圍內，磁密每降低0.1T，鐵心的噪聲可降低2~3dB(A)。
展開 干式變壓器運行噪聲的原因及分析
五、從變壓器設計控制方法
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。
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基于comsol的三相變壓器電磁、熱、固、噪聲多物理場耦合仿真分析 ￥4500
鐵心產生噪音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<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%8C%AF%E5%8A%A8/33108" rel="noopener noreferrer" target="_blank">振動</a>，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。電磁噪音產生原因是磁場誘發鐵心疊片沿縱向振動產生噪音，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。變壓器的噪音來源于變壓器本體和冷卻系統兩個方面。</p><p><br></p><p> 此次采用Comsol制作了三相變壓器 電磁、熱、固、噪聲多物理場耦合模型，分析三相變壓器在多次諧波工況下的表現。
展開 驅動電機NVH問題治理的原理·方法·過程
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。
ansys公司對某8極48槽的電機作了具體研究，發現磁致伸縮會使得定子齒上的徑向力和切向力幅值和頻率分布都會發生變化，在某些情形這些變化會產生新的振動特征，不能忽略。
在國內沈陽工業大學韓雪研對一款2.1kw的永磁同步電機作了研究，發現磁致伸縮效應在最惡劣的狀態下能夠引起50%的定子形變增量。
磁致伸縮量的大小和磁密大小正相關，伸縮頻率和磁場頻率相同，隨著高密度化的發展， 驅動電機的磁飽和程度，激勵頻率雙雙提高，這使得磁致伸縮的強度增強、頻率提高， 引起的振動噪音需要我們重視。
不平衡磁拉力引起的振動噪音
轉子上每塊磁鋼都會受到定子的吸引力，但這不會導致力不平衡，因為轉子每極是對稱的，因此沿作轉子積分一圈，半徑方向的合力為0。但一些特殊的情況下會發生合力不為0的情況，這就是不平衡磁拉力（UMP）。
不平衡磁拉力會直接產生一個一階的激勵源，既可以通過軸承激勵在端蓋上，又可以通過反作用力激勵在定子上，產生新的電磁力輻射。因此需要謹慎的評估是否發生了過強的不平衡磁拉力。
引起不平衡磁拉力的原因有很多，比如一些特殊的槽極配合，如8極9槽、10極9槽等。更多的情形是軸端受到不平衡的拉力，如單側齒輪的嚙合力。還有就是裝配工藝誤差引起的各類定轉子不同心導致的氣隙不均勻也會導致UMP。
由偏心導致的不平衡力，不僅僅只產生一個1階及其倍數的激勵源，還會產生更多的次生階次。
展開 19種常見液位計工作原理圖，可滿足多數工況，動畫展示很有趣！
5、磁致伸縮液位計
原理：磁致伸縮液位計的傳感器工作時，傳感器的電路部分將在波導絲上激勵出脈沖電流，該電流沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產生脈沖電流磁場。在磁致伸縮液位計的傳感器測桿外配有一浮子，此浮子可以沿測桿隨液位的變化而上下移動。在浮子內部有一組永久磁環。當脈沖電流磁場與浮子產生的磁環磁場相遇時，浮子周圍的磁場發生改變從而使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置產生一個扭轉波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過測量脈沖電流與扭轉波的時間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置。
6、射頻導納液位計
原理：射頻導納料位儀由傳感器和控制儀表組成，傳感器可采用棒式、同軸或纜式探極安裝于倉頂。傳感器中的脈沖卡可以把物位變化轉換為脈沖信號送給控制儀表，控制儀表經運算處理后轉換為工程量顯示出來，從而實現了物位的連續測量。
7、音叉物位計
原理：音叉式物位控制器的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動。當音叉與被測介質相接觸時，音叉的頻率和振幅將改變，這些變化由智能電路來進行檢測，處理并將之轉換為一個開關信號。
8、玻璃板液位計（玻璃管液位計）
原理：玻璃板式液位計是通過法蘭與容器連接構成連通器，透過玻璃板可直接讀得容器內液位的高度。
展開 一文介紹變壓器器身結構（鐵心、繞組、引線篇）
變壓器本體噪聲的根源在于鐵芯硅鋼片的磁致伸縮，或者說變壓器鐵芯的噪聲基本上是由磁致伸縮引起的。
所謂磁致伸縮就是指鐵芯勵磁時，沿磁感線方向硅鋼片的尺寸增加；
而在垂直于磁感線方向硅鋼片的尺寸減小，這種尺寸的變化稱為磁致伸縮。
另外，鐵芯的結構和幾何尺寸，鐵芯加工制造的工藝等都會對其噪聲水平有著一定程度的影響。
可以通過以下幾種技術措施來降低鐵芯的噪聲水平:
(1)使用磁致伸縮率ε值小的優質硅鋼片。
(2)降低鐵芯的磁通密度。
(3)改進鐵芯的結構。
(4)選擇合理的鐵芯尺寸。
(5)采用先進的加工工藝。
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