取向硅鋼片是一種常用的軟磁材料，通常用于變壓器和電抗器等電力設(shè)備的鐵心中。它是一種含硅量為0.5-4.5%的鐵硅軟磁合金。硅的作用是增加鐵的電阻率和最大磁導(dǎo)率，同時(shí)降低矯頑力和鐵心損耗。硅鋼片通常經(jīng)過軋制和退火等工藝處理，不同的工藝對(duì)硅鋼片的磁致伸縮和磁化特性有很大影響，因此需要研究硅鋼片的磁致伸縮和磁化特性的各向異性。準(zhǔn)確計(jì)算硅鋼疊片鐵心振動(dòng)的前提是精確測量不同工況下硅鋼片的磁致伸縮和磁化特性。
目前，大多數(shù)研究比較和分析了在單一激勵(lì)下硅鋼片的磁致伸縮特性。張鵬寧等研究人員采用激光磁致伸縮測量設(shè)備，以寶武鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的B30P105硅鋼片為測量樣品，對(duì)取向硅鋼片在工頻磁場、諧波磁場、直流偏置磁場和非正弦激勵(lì)下的磁致伸縮特性和磁化特性進(jìn)行了測量，并研究和分析了不同工況對(duì)硅鋼片磁致伸縮的影響，包括幅度和頻譜分析。最后，提取了不同工況下的磁致伸縮峰值曲線，為電力設(shè)備鐵心的振動(dòng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
正弦激勵(lì)下硅鋼板的磁致伸縮和磁化作用
研究人員測量了50 Hz正弦激勵(lì)下B30P105硅鋼片在0.1T到1.9T范圍內(nèi)的磁化特性（磁滯回線和磁致伸縮蝴蝶曲線），以及測量了硅鋼片在垂直于軋制方向（TD）的磁致伸縮特性（磁致伸縮蝴蝶曲線和頻譜圖），認(rèn)為在工頻正弦激勵(lì)下，硅鋼片的磁致伸縮主要由直流分量和100Hz分量組成，其幅度與磁通密度呈正相關(guān)，但關(guān)系非線性。在相同的磁場強(qiáng)度下，垂直于軋制方向的磁致伸縮遠(yuǎn)大于軋制方向的磁致伸縮，在變壓器或電抗器鐵心的角落以及“T”區(qū)域存在旋轉(zhuǎn)磁通密度，垂直于軋制方向的磁致伸縮也會(huì)對(duì)鐵心振動(dòng)產(chǎn)生影響。因此，在電力設(shè)備鐵心振動(dòng)的計(jì)算中，不能忽視垂直于軋制方向的磁致伸縮。
圖1 典型磁通密度下測量的磁滯回線
圖2 不同磁通密度下硅鋼片的磁致伸縮蝴蝶曲線
圖3 TD方向上的磁致伸縮蝴蝶曲線三次諧波激勵(lì)下硅鋼板的磁致伸縮和磁化作用
研究人員在第三諧波激勵(lì)下，硅鋼片的磁致伸縮特性通過以50 Hz正弦波為基波和不同含量的第三諧波激勵(lì)進(jìn)行測量。第三諧波的百分比分別為10%、20%、30%、40%和50%。測量發(fā)現(xiàn)：當(dāng)諧波含量保持不變時(shí)，磁致伸縮隨著磁通密度的增加而增加，但由于第三諧波的存在，低磁通密度下硅鋼片的磁致伸縮波形失真較大。當(dāng)鐵心達(dá)到飽和時(shí)，磁致伸縮蝴蝶曲線的失真達(dá)到最大，并包含更多的毛刺。經(jīng)過傅里葉分解后的波形頻譜可以看出，由于第三諧波成分的激勵(lì)，原本未失真的磁致伸縮波形出現(xiàn)了較大的失真，磁致伸縮波形增加最多的不是第三諧波的二倍頻成分，即300Hz，而是主要集中在200 Hz和400 Hz成分上。因此，可以得出結(jié)論，第三諧波激勵(lì)會(huì)增加硅鋼片的磁致伸縮幅度，并使磁致伸縮時(shí)域曲線產(chǎn)生高次諧波成分，但產(chǎn)生的諧波不是所加諧波成分的二倍頻關(guān)系，第三諧波的加入會(huì)顯著增加磁致伸縮的偶次頻率成分。
圖4 不同磁密度下的磁致伸縮蝴蝶曲線和時(shí)域波形
直流磁偏置現(xiàn)象是由地磁暴、電力變壓器中性點(diǎn)電位升高或高壓直流單極輸電的不平衡運(yùn)行引起的，這會(huì)扭曲電網(wǎng)中的電流波形。這對(duì)許多重要電力設(shè)備的溫度升高和振動(dòng)有顯著影響，如電力變壓器、電抗器和發(fā)電機(jī)。在直流磁偏置下硅鋼片的磁致伸縮測量基于在工頻正弦波激勵(lì)下疊加直流分量。由于直流偏置電流產(chǎn)生的磁場不隨時(shí)間變化，磁場測量線圈無法通過電流或電壓的變化測量硅鋼片中的磁通密度和磁場強(qiáng)度的直流分量。因此，需要根據(jù)施加的電流分別計(jì)算偏置磁場強(qiáng)度和磁通密度。通過測量不同直流偏置磁場條件下硅鋼片的磁致伸縮波形和頻譜圖可以看出：直流磁偏置會(huì)增加磁致伸縮峰值和磁致伸縮蝴蝶曲線的不對(duì)稱性。這兩個(gè)因素是直流磁偏置引起鐵心振動(dòng)增加的主要原因。由直流磁偏置引起的磁致伸縮增加與偏置磁場的強(qiáng)度成正比，偏置磁場會(huì)使硅鋼片在正半周期提前飽和。直流偏置的加入會(huì)顯著增加磁致伸縮的奇次頻率成分。
圖5 直流偏置磁場分別為20 A/m和60 A/m時(shí)的磁致伸縮蝴蝶曲線
圖6 不同直流偏峰的磁致伸縮峰到峰曲線
來源：《Study on magnetostrictive properties of oriented silicon steel sheet under different working conditions》
目前，大多數(shù)研究比較和分析了在單一激勵(lì)下硅鋼片的磁致伸縮特性。張鵬寧等研究人員采用激光磁致伸縮測量設(shè)備，以寶武鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的B30P105硅鋼片為測量樣品，對(duì)取向硅鋼片在工頻磁場、諧波磁場、直流偏置磁場和非正弦激勵(lì)下的磁致伸縮特性和磁化特性進(jìn)行了測量，并研究和分析了不同工況對(duì)硅鋼片磁致伸縮的影響，包括幅度和頻譜分析。最后，提取了不同工況下的磁致伸縮峰值曲線，為電力設(shè)備鐵心的振動(dòng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
正弦激勵(lì)下硅鋼板的磁致伸縮和磁化作用
研究人員測量了50 Hz正弦激勵(lì)下B30P105硅鋼片在0.1T到1.9T范圍內(nèi)的磁化特性（磁滯回線和磁致伸縮蝴蝶曲線），以及測量了硅鋼片在垂直于軋制方向（TD）的磁致伸縮特性（磁致伸縮蝴蝶曲線和頻譜圖），認(rèn)為在工頻正弦激勵(lì)下，硅鋼片的磁致伸縮主要由直流分量和100Hz分量組成，其幅度與磁通密度呈正相關(guān)，但關(guān)系非線性。在相同的磁場強(qiáng)度下，垂直于軋制方向的磁致伸縮遠(yuǎn)大于軋制方向的磁致伸縮，在變壓器或電抗器鐵心的角落以及“T”區(qū)域存在旋轉(zhuǎn)磁通密度，垂直于軋制方向的磁致伸縮也會(huì)對(duì)鐵心振動(dòng)產(chǎn)生影響。因此，在電力設(shè)備鐵心振動(dòng)的計(jì)算中，不能忽視垂直于軋制方向的磁致伸縮。
圖1 典型磁通密度下測量的磁滯回線
圖2 不同磁通密度下硅鋼片的磁致伸縮蝴蝶曲線
圖3 TD方向上的磁致伸縮蝴蝶曲線三次諧波激勵(lì)下硅鋼板的磁致伸縮和磁化作用
研究人員在第三諧波激勵(lì)下，硅鋼片的磁致伸縮特性通過以50 Hz正弦波為基波和不同含量的第三諧波激勵(lì)進(jìn)行測量。第三諧波的百分比分別為10%、20%、30%、40%和50%。測量發(fā)現(xiàn)：當(dāng)諧波含量保持不變時(shí)，磁致伸縮隨著磁通密度的增加而增加，但由于第三諧波的存在，低磁通密度下硅鋼片的磁致伸縮波形失真較大。當(dāng)鐵心達(dá)到飽和時(shí)，磁致伸縮蝴蝶曲線的失真達(dá)到最大，并包含更多的毛刺。經(jīng)過傅里葉分解后的波形頻譜可以看出，由于第三諧波成分的激勵(lì)，原本未失真的磁致伸縮波形出現(xiàn)了較大的失真，磁致伸縮波形增加最多的不是第三諧波的二倍頻成分，即300Hz，而是主要集中在200 Hz和400 Hz成分上。因此，可以得出結(jié)論，第三諧波激勵(lì)會(huì)增加硅鋼片的磁致伸縮幅度，并使磁致伸縮時(shí)域曲線產(chǎn)生高次諧波成分，但產(chǎn)生的諧波不是所加諧波成分的二倍頻關(guān)系，第三諧波的加入會(huì)顯著增加磁致伸縮的偶次頻率成分。
圖4 不同磁密度下的磁致伸縮蝴蝶曲線和時(shí)域波形
直流磁偏置現(xiàn)象是由地磁暴、電力變壓器中性點(diǎn)電位升高或高壓直流單極輸電的不平衡運(yùn)行引起的，這會(huì)扭曲電網(wǎng)中的電流波形。這對(duì)許多重要電力設(shè)備的溫度升高和振動(dòng)有顯著影響，如電力變壓器、電抗器和發(fā)電機(jī)。在直流磁偏置下硅鋼片的磁致伸縮測量基于在工頻正弦波激勵(lì)下疊加直流分量。由于直流偏置電流產(chǎn)生的磁場不隨時(shí)間變化，磁場測量線圈無法通過電流或電壓的變化測量硅鋼片中的磁通密度和磁場強(qiáng)度的直流分量。因此，需要根據(jù)施加的電流分別計(jì)算偏置磁場強(qiáng)度和磁通密度。通過測量不同直流偏置磁場條件下硅鋼片的磁致伸縮波形和頻譜圖可以看出：直流磁偏置會(huì)增加磁致伸縮峰值和磁致伸縮蝴蝶曲線的不對(duì)稱性。這兩個(gè)因素是直流磁偏置引起鐵心振動(dòng)增加的主要原因。由直流磁偏置引起的磁致伸縮增加與偏置磁場的強(qiáng)度成正比，偏置磁場會(huì)使硅鋼片在正半周期提前飽和。直流偏置的加入會(huì)顯著增加磁致伸縮的奇次頻率成分。
圖5 直流偏置磁場分別為20 A/m和60 A/m時(shí)的磁致伸縮蝴蝶曲線
圖6 不同直流偏峰的磁致伸縮峰到峰曲線
來源：《Study on magnetostrictive properties of oriented silicon steel sheet under different working conditions》
