沈阳工业大学科研团队在电工钢片磁致伸缩特性研究方面取得新进展

随着电工产品绿色、节能运行要求的不断提升，电工设备产生的振动噪声问题引起越来越多关注。电机、变压器铁芯由电工钢片叠积而成，电工钢片的磁致伸缩效应（指磁性材料在周期性变化磁场中几何尺寸的微小变化）会加剧铁心的振动和噪声。铁心的磁致伸缩特性与其工作中的磁感应强度大小、方向、频率等磁化方式密切相关。准确模拟电工钢片的磁致伸缩特性是研制高品质电工设备的前提和基础。

为了揭示磁致伸缩的物理本质，国内外学者基于不同的理论模型提出了模拟交变磁化下电工钢片磁致伸缩特性的方法。然而，除交变磁化外，电机定子铁心中同时存在旋转磁化，旋转磁化会产生更大的磁致伸缩应变，且具有矢量特性。

近年来，国外学者率先基于自主研发的二维磁特性测量系统测试了旋转磁致伸缩特性，并提出了相应的模拟方法。国内针对电工钢片磁特性的研究主要集中在交变磁化及交变叠加谐波、直流偏磁、应力、温度等特性的测量和模拟，而旋转磁化下磁致伸缩特性的分析和模拟研究正处于起步阶段。

沈阳工业大学电气工程学院的李岱岩、张艳丽、荆盈、王振、张殿海，在2022年第20期《电工技术学报》上撰文，借鉴Jiles-Atherton（J-A）磁滞模型对磁化过程中磁畴畴壁移动和磁矩转动而产生滞后行为的表征方法，提出一种能够描述旋转磁化下磁致伸缩正应变和剪切应变矢量、滞后特性的磁致伸缩模型。

图1 模型参数寻优过程

研究人员基于电工钢片旋转磁特性测量系统提供的特性数据，采用粒子群优化算法实现了模型参数辨识，并验证了模型的准确性。他们制作并搭建硅钢叠片铁心局部磁致伸缩特性测量系统，给出了所提磁致伸缩模型计算铁心磁致伸缩形变的具体过程，通过与测量结果的比较，进一步验证了该理论模型在工程应用的有效性，可以有效表征电工钢片旋转磁致伸缩特性。

图2 实验模型供电系统

图3 实验模型数据采集系统

研究人员表示，对电工钢片旋转磁致伸缩的测量结果表明，旋转磁致伸缩具有复杂的动态特性、矢量特性和各向异性特性。与磁滞类似，磁致伸缩两个正应变分量分别与x、y方向的磁通密度在动态下呈现回环（蝴蝶曲线）的特性关系。

另外，该矢量磁致伸缩模型不仅能表征旋转磁化下磁致伸缩的矢量、滞后行为，还能通过模型参数模拟旋转磁化轨迹的变化特征。

他们指出，本课题的研究成果提供了电工钢片旋转磁致伸缩特性的参考数据和测试手段，建立的特性模型也推动磁致伸缩表征方法向铁心服役工况靠近，为电机等电工装备本体振动噪声的研究提供了一定的参考。

本文编自2022年第20期《电工技术学报》，论文标题为“基于J-A模型的电工钢片磁致伸缩特性模拟与实验”。本课题得到国家自然科学基金的支持。