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隨著電工產(chǎn)品綠色、節(jié)能運行要求的不斷提升，電工設(shè)備產(chǎn)生的振動噪聲問題引起越來越多關(guān)注。電機、變壓器鐵芯由電工鋼片疊積而成，電工鋼片的磁致伸縮效應(yīng)（指磁性材料在周期性變化磁場中幾何尺寸的微小變化）會加劇鐵心的振動和噪聲。鐵心的磁致伸縮特性與其工作中的磁感應(yīng)強度大小、方向、頻率等磁化方式密切相關(guān)。準(zhǔn)確模擬電工鋼片的磁致伸縮特性是研制高品質(zhì)電工設(shè)備的前提和基礎(chǔ)。

為了揭示磁致伸縮的物理本質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者基于不同的理論模型提出了模擬交變磁化下電工鋼片磁致伸縮特性的方法。然而，除交變磁化外，電機定子鐵心中同時存在旋轉(zhuǎn)磁化，旋轉(zhuǎn)磁化會產(chǎn)生更大的磁致伸縮應(yīng)變，且具有矢量特性。

近年來，國外學(xué)者率先基于自主研發(fā)的二維磁特性測量系統(tǒng)測試了旋轉(zhuǎn)磁致伸縮特性，并提出了相應(yīng)的模擬方法。國內(nèi)針對電工鋼片磁特性的研究主要集中在交變磁化及交變疊加諧波、直流偏磁、應(yīng)力、溫度等特性的測量和模擬，而旋轉(zhuǎn)磁化下磁致伸縮特性的分析和模擬研究正處于起步階段。

沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的李岱巖、張艷麗、荊盈、王振、張殿海，在2022年第20期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，借鑒Jiles-Atherton（J-A）磁滯模型對磁化過程中磁疇疇壁移動和磁矩轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生滯后行為的表征方法，提出一種能夠描述旋轉(zhuǎn)磁化下磁致伸縮正應(yīng)變和剪切應(yīng)變矢量、滯后特性的磁致伸縮模型。

圖1 模型參數(shù)尋優(yōu)過程

研究人員基于電工鋼片旋轉(zhuǎn)磁特性測量系統(tǒng)提供的特性數(shù)據(jù)，采用粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)了模型參數(shù)辨識，并驗證了模型的準(zhǔn)確性。他們制作并搭建硅鋼疊片鐵心局部磁致伸縮特性測量系統(tǒng)，給出了所提磁致伸縮模型計算鐵心磁致伸縮形變的具體過程，通過與測量結(jié)果的比較，進(jìn)一步驗證了該理論模型在工程應(yīng)用的有效性，可以有效表征電工鋼片旋轉(zhuǎn)磁致伸縮特性。

圖2 實驗?zāi)Ｐ凸╇娤到y(tǒng)

圖3 實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

研究人員表示，對電工鋼片旋轉(zhuǎn)磁致伸縮的測量結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)磁致伸縮具有復(fù)雜的動態(tài)特性、矢量特性和各向異性特性。與磁滯類似，磁致伸縮兩個正應(yīng)變分量分別與x、y方向的磁通密度在動態(tài)下呈現(xiàn)回環(huán)（蝴蝶曲線）的特性關(guān)系。

另外，該矢量磁致伸縮模型不僅能表征旋轉(zhuǎn)磁化下磁致伸縮的矢量、滯后行為，還能通過模型參數(shù)模擬旋轉(zhuǎn)磁化軌跡的變化特征。

他們指出，本課題的研究成果提供了電工鋼片旋轉(zhuǎn)磁致伸縮特性的參考數(shù)據(jù)和測試手段，建立的特性模型也推動磁致伸縮表征方法向鐵心服役工況靠近，為電機等電工裝備本體振動噪聲的研究提供了一定的參考。

本文編自2022年第20期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于J-A模型的電工鋼片磁致伸縮特性模擬與實驗”。本課題得到國家自然科學(xué)基金的支持。