摘要：建立考虑磁致伸缩效应的非晶合金卷绕定子铁心的磁-机械耦合数学模型。采用非晶合金定子铁心模态实验对卷绕结构铁心弹性模量进行修正的方法，研究非晶合金定子铁心卷绕结构对振动的影响。应用三维有限元法计算定子铁心的磁场分布、形变和振动加速度； 并在此基础上分析定子铁心周围声场分布。提出非晶合金卷绕定子铁心振动噪声测试方法，通过实验验证计算方法的有效性。同时完成了不同供电频率下不同磁通密度时定子铁心振动噪声的测试，总结定子铁心振动和噪声的影响规律。得出定子铁心振动加速度随磁通密度平方呈正比和定子铁心噪声随磁通密度呈对数函数规律变化的结论，确定了曲线拟合公式和系数。
关键词：非晶合金；卷绕定子；铁心振动；噪声
1前言
非晶合金材料作为一种新型双绿色软磁功能材料，具有优异的电磁性能( 低损耗、高磁导率) ，将其应用于永磁电机铁心来替代常规硅钢片材料，能显著降低永磁电机的铁耗，提高电机效率和功率密度，节能效果显著，是电机领域具有良好前景的新型铁心材料。然而，非晶合金材料也具有一定的性能缺陷，其中最主要的性能缺陷就是磁致伸缩系数相对较大，由此引起的电机振动噪声将显著加大。目前国内外学者对硅钢片软磁材料在不同状态下的磁致伸缩特性进行了研究。张艳丽等对电工钢片的磁致伸缩特性进行了测量，在测试数据的基础上利用线性压磁方程建立了磁致伸缩特性数学模型，计算了电工钢片因所处磁场发生变化而产生的磁致伸缩形变。但文中并未考虑压力对磁致伸缩的影响。张艳丽等对直流偏磁下电工钢片磁致伸缩的各向异性特性进行了测量，同时测试了压力对磁致伸缩的影响。P. I. Anderson 等对无取向电工钢片磁致伸缩对应力的敏感性进行了研究。当磁化方向沿电工钢片轧制方向时，沿轧制方向的拉应力对磁致伸缩影响较小； 当压应力小于2 MPa 时，压应力对磁致伸缩影响较小；当压应力继续增加时，磁致伸缩应变将快速增加。S. Somkun 等对变频器供电下无取向电工钢片由磁致伸缩引起的机械共振进行了研究。通过对M400-50A无取向电工钢片300 mm × 30 mm 样片在1 T 正弦交变磁场( 频率范围为500 ～ 4 000 Hz) 作用下的磁致伸缩特性的测量，得出当变频器开关频率为样片共振频率的整数倍时，变频器供电下的磁致伸缩幅值比正弦波供电时提高达28%的结论。
2铁心振动噪声实验
2. 1 铁心振动实验方法
为了测试非晶合金卷绕定子铁心由磁致伸缩引起的振动噪声，本文提出定子铁心振动噪声测试方法。实验中采用自制测试线圈，非晶合金卷绕定子铁心绕上一励磁线圈和一感应线圈。励磁线圈连接交流电源，对励磁线圈施加激励，产生励磁磁动势。定子铁心中产生交变磁场，在感应线圈中产生感应电动势。感应线圈连接电压表检测线圈中的感应电动势，通过感应电动势可计算得到铁心中的磁通密度。在定子铁心轴向和圆周方向放置振动加速度计来检测铁心的振动。这样测试得到的定子铁心振动是由磁致伸缩引起。通过改变施加激励的频率和大小来改变环形铁心中的磁场，测量不同频率、不同磁通密度下定子铁心的振动。本实验中励磁线圈匝数N1 = 80匝，感应线圈匝数N2 = 40匝。
定子铁心振动实验采用丹麦B＆K公司生产的振动噪声测试装置进行测试。实验设备包括400 Hz中频静变电源、数字功率计WT230、示波器、振动加速度计、信号放大器、B＆K2239声级计、B＆K3560-C 数据采集系统、计算机等。
2. 2 铁心噪声实验方法
按照电机噪声测试国家标准GB/T 10069. 1—2006，非晶合金卷绕定子铁心的噪声测试在消音室中进行。利用B＆K2239声级计测试定子铁心产生的噪声，将测试到的噪声信号通过B＆K3560数据采集系统连接到计算机上。
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在实验过程中，测试铁心的励磁线圈和感应线圈是人工缠绕在铁心上的，励磁线圈和铁心之间存在一定的接触区域，但对系统的阻尼影响较小； 励磁线圈的线径较细、相对于铁心质量较小，在此忽略其对系统质量的影响。在测试铁心的振动和噪声时，按照电机振动噪声测试标准中的自由悬置或弹性安装方式，将非晶合金定子铁心安放在测试台的橡胶垫上。
2. 3 计算结果与实验结果对比分析
本文作者制作了两个非晶合金卷绕定子铁心。定子铁心采用非晶合金2605SA1型号( Fe80B11 Si9)带材制作，卷绕压紧系数为0.86。对非晶合金卷绕定子铁心的振动进行测试时，在定子铁心轴向和圆周方向分别选取3个测试点放置振动加速度计来检测铁心的振动。
3定子铁心振动噪声影响规律研究
目前对于磁致伸缩效应引起的铁心振动噪声研究较少，相关理论成果还鲜有公开报道。祝丽花等［15］对考虑磁致伸缩效应硅钢片变压器振动噪声进行了研究，得出铁心振动量的大小与磁通密度平方呈正比。从磁致伸缩效应原理来看，磁致伸缩引起的铁心振动取决于材料的磁致伸缩特性(即磁致伸缩率与磁通密度的关系)。一些学者认为电工钢片的磁致伸缩率与磁通密度的平方呈正比［16-18］，即λ∝ B2。由磁致伸缩引起的铁心噪声还没有成熟的计算公式。电机中电磁力引起的噪声是基于振动速度和振动位移进行计算的，振动位移和频率乘积与噪声为对数关系［19］。非晶合金带材制作成铁心，卷绕等加工环节会在铁心内部产生应力。由于非晶合金材料的电磁性能对应力十分敏感，加工后的非晶合金铁心性能( 包括磁化特性、磁致伸缩特性和损耗特性) 会产生较大差异，同时加工工艺会影响铁心的力学性能( 包括铁心的弹性模量和泊松比等)，这都将对非晶合金定子铁心的振动噪声产生影响。
3. 1 定子铁心振动影响规律研究
对不同供电频率下不同磁通密度时非晶合金卷绕定子铁心的振动进行了测试。测试结果选取轴向和周向各3个测试点振动加速度有效值的平均值。在频率一定时，随着磁通密度的增加，铁心振动加速度增加，当磁通密度大于1 T 时，振动加速度增加的幅度变大。
3.2 定子铁心噪声影响规律研究
实验测试了非晶合金卷绕定子铁心不同供电频率下不同磁通密度时定子铁心的噪声。得到定子铁心在不同供电频率时噪声随磁通密度变化曲线，随着磁通密度和频率的增加，定子铁心噪声增加。当频率f = 267 Hz、磁通密度B =1.2 T 时，定子铁心噪声声压级为55.2 dB( A) ；当频率f = 545 Hz、磁通密度B = 1.2 T 时，铁心的噪声声压级高达78.5 dB( A) 。
4结束语
1) 非晶合金定子铁心噪声数值计算结果误差小于5%，误差范围能够满足工程设计的要求，验证了计算方法的有效性。2) 拟合非晶合金卷绕定子铁心在不同供电频率时轴向和周向测试点振动加速度随磁通密度变化曲线，定子铁心振动加速度随磁通密度平方呈正比，确定曲线拟合公式和不同频率时系数k1、k2。3) 拟合非晶合金卷绕定子铁心在不同供电频率时噪声随磁通密度变化曲线，定子铁心噪声随磁通密度呈对数函数规律变化，确定曲线拟合公式和系数kp、不同频率时系数Lpavf。
参考文献
[1]张广强，周少雄，李山红，等．一种电机用非晶合金铁心的制备及其磁性能研究[J]．微特电机.2011，39( 12) : 68-70．
[2]张艳丽．无取向电工钢片磁致伸缩特性测量与模拟[J]．电工技术学报.2013，28( 11) : 176-181．
论文作者:陈兴土
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/28
标签：铁心论文; 定子论文; 噪声论文; 伸缩论文; 合金论文; 卷绕论文; 密度论文; 《电力设备》2017年第21期论文;