温度对非晶合金卷形铁心磁特性及振动的影响分析

1.2 退火后的非晶卷形铁心磁特性测量

本文选取与带材同型号(2605SA1) 退火后的非晶合金卷形铁心搭建磁化测量平台。测量原理如图1所示。基于励磁电流和感应电压测量数据，计算不同磁场强度下非晶铁心的磁通密度，并拟合得出磁化特性B-H曲线，计算原理如式(1)、式(2)所示:

图1 卷形铁心磁化特性测量原理

在铁心励磁同时，利用电热恒温箱对铁心加热处理，同时借助红外热成像仪对铁心温度进行实时监测，在各温度条件下对非晶铁心磁化特性测量。热成像仪观测图及磁化测量系统如图 2 所示。

图2 热成像仪观测图及铁心磁化特性测量系统

1.3 磁特性结果分析

依据1.2节描述方法，对非晶合金单片带材及铁心进行磁特性测量，分别绘制了退火前非晶带材与退火后各温度下卷形铁心的磁化B-H曲线，对比结果如图3所示。

图3 磁化特性测量结果对比

对比分析非晶合金在各条件下的B-H曲线，可见2605SA1型的非晶退火卷形铁心与未退火的非晶单片带材磁化特性在饱和磁通密度以及磁化过程上均存在差别。未退火的非晶单片带材饱和磁通密度可达1.5T以上，而退火后的卷形铁心饱和磁通密度约为1.4T。同时，温度对非晶铁心磁化特性也存在一定影响，当非晶卷形铁心的温度升高时，其在相同励磁强度下非晶铁心的磁通密度随之增大，但非晶铁心的饱和磁通密度随温度变化没有明显改变。相同激励条件下，非晶铁心磁通密度的变化会导致铁心磁致伸缩的变化，从而影响铁心振动。非晶带材磁致伸缩单值曲线测量结果如图4所示，其中λpp为磁致伸缩峰峰值。非晶合金的磁致伸缩特性异于常规硅钢，当励磁磁通密度达到0.5T后，其磁致伸缩量峰峰值呈快速增长的趋势，并在接近饱和时达到最大，而在励磁磁通密度较小时，峰峰值变化略小。

图4 非晶合金磁致伸缩特性测量结果

2 计算理论分析

基于磁特性数据，该铁心为工频正弦交流激励，交变电场在铁心中产生交变磁场，同时产生感应电场，感应电场产生感应电流即涡流，忽略位移电流，电磁场计算满足麦克斯韦方程组，如式(3)、式(4)所示:

定义磁矢量磁位A，满足B =▽×A，经过变换可得到求解铁心电磁场的微分方程:

在交变磁场作用下，非晶铁心产生磁致伸缩效应，磁致伸缩应变由求解得到的铁心磁通密度与磁致伸缩特性曲线差值拟合得出，如式(6)所示。并将该值以初始应变的形式加入有限元求解中。

根据弹性力学的基本原理，非晶铁心中磁致伸缩应变与磁致伸缩应力的关系满足广义胡克定律，其线性关系如式(7)所示:

3 非晶合金卷形铁心的磁-机械耦合计算分析

3.1 非晶合金卷形铁心的有限元模型

基于上述计算原理，本文利用多场耦合分析软件建立非晶卷形铁心磁-机械有限元分析模型，考虑磁致伸缩效应对非晶卷形铁心进行磁场-应力场的计算，卷形铁心样机主要参数如表1所示。实际非晶变压器产品铁心工作磁通密度约为1.2T，为模拟实际工况，本文计算应力及振动加速度均在铁心磁通密度为1.2T的条件下。非晶铁心有限元模型如图5所示。

表1 非晶卷形铁心样机主要参数

图5 非晶铁心模型和有限元剖分模型

3.2 磁场结果分析

由图6可见，在铁心激励相同时，70℃下非晶铁心主工作磁通密度略高于常温。通过截取铁心柱内部中心位置三维截点处的磁通密度值可知，70℃的铁心截点磁通密度为1.272T，而20℃的磁通密度值为1.233T。

图6 20℃与 70℃下非晶铁心磁通密度分布计算结果

3.3 振动结果分析

在工频正弦激励周期内0.01s时刻，磁化曲线分别为20℃和70℃时铁心瞬态应力计算结果如图7所示。固定约束为铁心底面，并可视化形变结果，将形变量放大4327倍。

图7 20℃与70℃下非晶铁心应力计算结果

由图7可直观看出铁心振动趋势。当铁心温度升高，磁通密度增大，其应力分布值亦相对较大。铁心形变主要集中在上轭及两侧，形变趋势随磁通方向变化。为直观对比分析非晶铁心振动计算结果，本文截取铁心顶面中心位置的三维截点并计算顶面三个方向上加速度值，20℃与70℃时截点加速度时域计算结果如图8所示。由图8可见，20℃下顶面中心点x方向的振动加速度峰值平均在0.71m/s2左右。而由于数值计算中仅改变了铁心B-H磁化特性，70℃下振动趋势基本相同，三个方向加速度幅值升高并不明显，这说明温度升高改变非晶合金材料B-H磁化特性对振动的影响不大。

图8 20℃与70℃下非晶铁心加速度计算结果

4 非晶合金卷形铁心振动实验及结果分析

图9(a)～图9(c)分别为铁心0.05s内20℃、40℃、70℃的振动加速度时域图。20℃下测点的振动加速度幅值测量结果与仿真计算结果对比分析如表2所示。从数值计算结果看，当非晶铁心温度升高，磁化特性的改变对铁心振动影响不大，振动实验结果表明温度达到70℃铁心振动增强明显。由此可知，温度变化对非晶合金磁致伸缩效应的升高是振动增强的主要原因。

图9 各温度下非晶铁心测点振动加速度时域图

表2 加速度幅值计算值与测量值对比

本文对非晶铁心温度每增加10℃时的测点振动加速度幅值进行测量整理，加速度幅值随温度变化如表3所示。由测点的振动加速度数据可知，铁心振动随温度上升有明显增大，但x方向的振动加速度在70℃以下无明显变化，加速度幅值维持在0.7m/s2左右。y方向加速度略微增加，z方向加速度随温度增加较为显著，非晶铁心温度达到60℃，z方向的加速度幅值较常温可增大约0.3m/s2。

表3 振动测点加速度幅值随温度变化结果

根据实验测量数据可见，非晶卷形铁心的振动量与铁心温度成正比关系，各方向的振动加速度随铁心温度升高而增大，x方向仅在温度达到70℃后略微增加。图10直观反映非晶铁心振动加速度与温度变化关系。

图10 测点振动加速度幅值随温度变化曲线

通过对非晶合金卷形铁心的振动测点进行不同温度下的振动加速度分析，可看出铁心温度的变化会影响其相同工作状态下的电磁振动。而依据本文研究结果，温度影响下磁化特性的改变导致铁心振动的增加很小，因此可进而得出推论，非晶材料的磁致伸缩量会随温度的升高而增大，从而导致铁心振动加剧。从非晶卷形铁心的结构角度分析，铁心框由多片非晶合金带材层叠而成，其内部磁化方向与带材面方向平行，每片带材磁致伸缩量的增大，宏观上表现为铁心y方向与z方向的振动加速度增大。因此，本文对铁心振动加速度的测量实验结果验证了上述结论，并为实际工程中非晶合金铁心变压器的振动噪声分析及限制提出了可靠的参考依据。

4 结论

本文首先实现了不同温度下非晶合金磁化特性测量，分析研究了温度变化对非晶合金磁化特性的影响，并在测量数据的基础上，实现了单框非晶卷形铁心在不同温度下磁场和应力场的计算分析。最后通过对非晶卷形铁心在各温度条件下的振动加速度测量实验，分析研究了非晶卷形铁心振动随温度变化规律，并得出以下结论:

( 1) 非晶合金材料的退火工艺将对磁化特性产生影响，退火后的非晶合金铁心磁化特性相比未退火的非晶带材饱和磁通要低，磁化过程发生改变。而退火后的非晶铁心磁化特性会受到铁心温度的影响而变化，当铁心温度升高，相同激励条件下的磁通密度随之增大，但铁心温度对饱和磁通密度( 约为1.4T左右) 无明显影响。

( 2) 通过不同温度下非晶铁心振动测量实验，验证了磁-机械耦合数值计算结果的合理性。计算与实验结果对比分析可知，非晶合金铁心在温度升高的情况下B-H磁化特性的改变对铁心振动影响很小，温度升高时非晶合金磁致伸缩特性的变化是影响铁心振动的主要因素。

( 3) 对比不同温度下非晶合金卷形铁心的振动测量数据可知，铁心在工作磁通密度时，振动与铁心温度呈正比关系，且y方向与z方向振动加速度幅值变化较为明显，x方向幅值变化很小，仅在70℃以上发生变化。由此得出，非晶合金材料的磁致伸缩量随材料温度的升高而增大，平行于带材方向的增大相对较大，垂直方向无明显变化。返回搜狐，查看更多