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                          硅鋼片鐵芯磁致伸縮計算分析
                          時間:2021-04-21 點擊次數:1


                              電磁噪聲是硅鋼片特別是干式硅鋼片噪聲的重要組成局部, 而硅鋼片磁致伸縮效應是引起電磁噪聲的重要起因。 所以對鐵芯硅鋼片磁致伸縮特點進行數值盤算剖析, 從振源方面對硅鋼片進一步降噪存在重要意思。
                              所謂磁致伸縮是指鐵磁物質(磁性資料)因為磁化狀況的轉變,其尺寸在各個方向產生變更。組成硅鋼片鐵芯的硅鋼片,被磁化時產生磁致伸縮景象,屬于磁致伸縮資料。 在幻想實驗前提下硅鋼片的磁致伸縮量很小, 但因為磁致伸縮諧波頻率與鐵芯固有頻率產生共振等起因, 它在鐵芯中引起的振動被放大, 由此產生的噪聲也是硅鋼片本體噪聲的重要來源。
                              本文中基于不同應力作用下鐵芯的磁化曲線, 依據考慮鐵芯磁致伸縮特點的電磁—機械振動耦合數值模型, 盤算實現了每個單元的磁致伸縮應力、應變數值散布,并進一步盤算了局部磁致伸縮力跟電磁力的大小, 通過相干對比驗證了結果的正確性。 文中的剖析盤算方法存在普遍利用性。
                          1、硅鋼片磁致伸縮特點
                              鐵芯磁化產生磁致伸縮景象, 硅鋼片的磁致伸縮對所受機械應力很敏感。 但不同方向的應力影響不同,沿軋制方向磁化的取向硅鋼片,拉應力對其的磁致伸縮影響甚小,而壓應力影響很大,如圖1 中任意曲線所示。
                              家喻戶曉,鐵芯硅鋼片存在絕緣涂層,其重要作用是為疊片之間供給電氣絕緣,減少渦流。絕緣涂層也增大了硅鋼片的抗拉強度, 所以涂層的厚度對磁致伸縮應力曲線產生影響[10],不同涂層厚度對應的磁致伸縮量與應力曲線如圖 1 所示。 顯然涂層越厚曲線向左挪動越大,磁致伸縮越小,在一定的設計跟工作前提下硅鋼片的噪聲更小。
                              另外, 近期研究發明硅鋼片的磁致伸縮也會隨硅鋼片厚度的增加而增大[11]。 不同廠商、不同型號的硅鋼片存在不同的磁致伸縮變更,到當初為止,仍不正確描述貿易硅鋼片磁致伸縮與應力對應關聯,所以對硅鋼片磁致伸縮效應的數值盤算需丈量磁致伸縮特點在不同應力作用下的數據。
                          2、鐵芯電磁—機械振動耦合數值模型
                              磁致伸縮資料的本構關聯方程可明白表示磁場與機械場彼此耦合的關聯:
                              式中 εH——資料在磁場強度為 H 時的應變
                              σ——應力
                              Eσ——楊氏模量
                              Bσ——σ 作用的磁感應強度
                              μσ——在應力作用下的磁導率
                              d——磁致伸縮系數
                              因為鐵芯硅鋼片磁致伸縮的峰值也只有多少微米大小,可知它的磁致伸縮系數甚小。而鐵芯硅鋼片在應力作用下導磁曲線將產生變更,鐵芯被磁化時天然產生磁致伸縮,因此,采取在應力作用下丈量的硅鋼片 B-H 曲線可同時考慮應力、 磁致伸縮的影響,式(1)跟式(2)可表示為:
                          式中 σims——考慮磁致伸縮作用的應力
                              由此可知,考慮硅鋼片磁致伸縮應力影響,求解硅鋼片鐵芯區域磁場的麥克斯韋方程為式(4):式中 νxσ、νyσ——分辨表示硅鋼片在應力、 磁致伸縮作用下沿軋制方向、 垂直軋制方向的磁阻率
                          J——z 方向激磁電流密度
                              本文中采取松耦合數值模型盤算電磁場跟機械場,硅鋼片鐵芯的電磁場跟機械場分辨由式(5)、式(6)來表示:式中 S——電磁剛度矩陣
                          K——機械剛度矩陣

                            A、U——請求解的磁場矢量跟振動位移矩陣
                              兩式通過磁致伸縮效應引起鐵芯硅鋼片磁導率的變更,以及磁場作用引起磁致伸縮,從而對機械變形產生影響來實現磁性跟彈性范疇的耦合。
                              采取有限元進行盤算時,分辨利用電磁場、機械場的能量泛函來離散求解電磁跟機械的剛度矩陣,單元泛函表白式如下:
                          3、磁致伸縮力跟電磁力
                              采取有限元進行單元剖析時, 每個單元內的磁通密度恒定。硅鋼片被磁化時,產生磁致伸縮引起內應力產生變更,磁導率隨之變更,進而影響磁能的大小。依據虛功原理,硅鋼片的磁致伸縮力即是因磁致伸縮效應引起的磁能變更與振動位移的變更,單元磁致伸縮力求解表白式如式(10)所示:阻率應力的變更,求解方法 O.A. Mohammed 在文獻[14]中有介紹。盤算結果剖析
                              本文中筆者選用三相三柱電力硅鋼片作為剖析對象,硅鋼片工作在空載狀況,依據磁路方法采取等效拼接縫隙 δ 計及搭迭效應。 采取 Femap 前處理軟件對硅鋼片 2D 對稱模型進行剖分, 其鐵芯尺寸跟剖分結果如圖 2 所示,共含有 6 233 個單元,1 195個節點。    有限元數值求解程序采取 Fortran 語言來實現,可盤算得到每個單元的磁感應強度、磁致伸縮應力、應變以及鐵芯邊沿處電磁應力等。取鐵軛、鐵柱與搭接縫隙處的多少個單元,具體編號跟位置如圖 3 所示,其中單元 1244、1338 在鐵軛上,X 方向是其軋制方向;單元 3872、4127 在鐵芯柱上,Y 方向是其軋制方向,縫隙所取單元編號為 1737,屬于鐵軛與縫隙邊界線上的單元。    盤算時應力與磁導率的關聯參照文獻[13]中的丈量數據,從盤算結果中提取所抉擇的單元信息,結果如圖4 所示,其中縫隙單元的電磁應力散布如圖 4(a)所示;鐵芯中所選多少個單元的磁致伸縮應力、應變分辨如圖 4(b)跟圖 4(c)所示,橫坐標表示相位角。
                              由圖 4 可知, 應力、 應變周期為磁場周期的一半;硅鋼片沿軋制方向的應力、應變弘遠于沿垂直軋制方向的應力、應變,合乎硅鋼片磁致伸縮的特點,量級也與丈量值相符。 電磁應力 X 方向為正,Y 方向為負,與實際剖析麥克斯韋力散布雷同。 所以,本文中所樹破求解硅鋼片磁致伸縮力跟麥克斯韋力的數值模型是正確的。    如圖 3 所示,鐵軛中一區域記為 YRU,鐵芯右上側等效縫隙記為 Rgap,硅鋼片厚度為 0.35mm。 單片硅鋼片 YRU 磁致伸縮力跟 Rgap 對鐵軛的 電 磁力大小分辨為圖
                            5、圖 6 所示。
                              磁致伸縮力的盤算結果圖 5 的散布法則與文獻[6]盤算結果雷同,數值大小因為盤算所選鐵芯尺寸、區域大小以及硅鋼片數量、厚度不同而不同。 圖6 所示電磁力的盤算結果表明縫隙對鐵軛存在向下、向右的作使勁,依據文獻[14]剖析,其結果也是正確的。 顯然,磁致伸縮力大于電磁力,兩者的作用方向在不同相位時并不完全雷同,換而言之,鐵芯的振動并非各自振動之跟, 有時兩者會有彼此減弱的后果。
                          剖析論斷
                              文中筆者依據電磁場實際跟彈性力學實際,樹破了電磁—機械耦合數值模型, 求解電磁場時考慮了鐵芯硅鋼片應力作用對導磁特點的影響; 推導了盤算鐵芯取向硅鋼片磁致伸縮力的方程式。 將模型利用于三相電力硅鋼片,將盤算結果與丈量、相干文獻跟論著進行了比較, 結果表明所樹破的模型跟求解方法是正確的, 為求解硅鋼片鐵芯磁致伸縮效應供給了一種存在推廣利用的數值盤算方法。 盤算結果同時也表明,對硅鋼片結構,硅鋼片的磁致伸縮力弘遠于電磁力, 即用數值方法證明了硅鋼片本體噪聲重要是由鐵芯硅鋼片磁致伸縮引起的。
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