为什么变压器会发出嗡嗡声？铁芯磁致伸缩与振动噪音的产生机制

铁芯材料的磁致伸缩效应，同时交变电磁力也起到一定作用。

以下是详细的产生机制分析：

根源：交变磁场

• 变压器工作时，一次绕组通入交流电，产生随时间变化的磁通（Φ）。
• 这个交变磁通绝大部分集中在由高导磁率硅钢片叠压而成的铁芯中闭合（主磁通）。
• 关键点： 磁通Φ的大小和方向随着交流电的频率（通常是50Hz或60Hz）周期性变化。

主要机制：磁致伸缩效应

• 定义： 磁致伸缩是指铁磁性材料（如变压器铁芯用的硅钢片）在磁化过程中，其物理尺寸（长度）会随着外加磁场强度（或磁感应强度）的变化而发生微小变化的物理现象。
• 微观原因： 铁磁材料内部由无数微小的磁畴组成。当施加外部磁场时，磁畴会发生旋转和畴壁移动，使其磁矩方向趋于与外加磁场一致。这个过程伴随着材料晶格结构的微小变形，导致材料整体在某个方向上伸长或缩短。
• 与交变磁场的关系：
  • 当交流电处于正半周，磁场强度H增大（或磁感应强度B增大）时，铁芯材料会沿某个方向（通常是轧制方向）伸长。
  • 当交流电处于负半周，磁场强度H减小（或磁感应强度B减小）时，铁芯材料会收缩回原状，甚至可能略微缩短（取决于材料特性和磁化状态）。
  • 因此，铁芯材料的长度会随着交流电的频率（2倍于电源频率，因为伸缩与磁场强度绝对值的平方或磁感应强度的变化趋势有关）而周期性地伸缩变化。
• 频率： 由于磁致伸缩响应的是磁场强度的变化（无论是增大还是减小，都会引起形变），其基本振动频率是电源频率的两倍（100Hz或120Hz）。例如，50Hz电源下，铁芯的磁致伸缩振动基频是100Hz。
• 谐波： 磁致伸缩系数λ与磁感应强度B的关系通常是非线性的（λ ∝ B² 是常见近似）。同时，硅钢片的磁化曲线（B-H曲线）本身具有非线性（饱和效应）和磁滞特性。这导致磁致伸缩的形变波形不是纯净的正弦波，而是包含丰富的谐波成分（如200Hz, 300Hz, 400Hz等）。这些谐波是变压器嗡嗡声听起来低沉且“有音调感”的原因。
• 振动传递： 铁芯由许多层薄硅钢片叠压而成，并用夹件和拉紧螺栓紧固。单片硅钢片的微小伸缩振动（虽然每片只有微米量级）会通过片间摩擦和叠片间的耦合，以及夹紧结构传递，最终导致整个铁芯结构产生宏观的周期性机械振动。

次要但重要的机制：交变电磁力（麦克斯韦应力）

• 定义： 在磁场中，任何铁磁材料表面都会受到磁场的吸引力作用，其大小与磁感应强度B的平方成正比。这种力称为麦克斯韦应力。
• 与交变磁场的关系：
  • 铁芯叠片之间、铁芯与夹件/拉杆之间、铁芯与绕组之间，只要存在磁通穿过且材料导磁率不同（或存在气隙），就会存在磁吸引力。
  • 由于主磁通Φ是交变的，磁感应强度B也是交变的（B ∝ Φ），因此这些磁吸引力的大小也会随着时间变化（F ∝ B²）。
• 频率： 磁吸引力F ∝ B²。假设B是正弦波（B = Bₘ sin(ωt)），则 F ∝ (Bₘ sin(ωt))² = (Bₘ² / 2) * (1 - cos(2ωt))。这表明磁吸引力包含一个直流分量和一个频率为电源频率两倍（100Hz/120Hz）的交变分量。正是这个交变分量会引起铁芯结构件（如叠片接缝处、夹件、拉杆等）的振动。
• 作用： 电磁力主要影响铁芯叠片接缝处、铁芯与夹件/拉杆的接触面、以及铁芯与绕组的间隙。它加剧了由磁致伸缩引起的振动，特别是在铁芯结构存在松动或不紧密的地方，电磁力引起的振动和噪音可能更显著。

振动到噪音的转换

• 铁芯的周期性振动（主要是100Hz/120Hz基频及其谐波）通过以下途径传递：
  • 机械连接： 振动通过铁芯夹件、拉紧螺栓传递到变压器油箱壁和外壳。
  • 绝缘油（油浸式）： 在油浸式变压器中，振动通过铁芯传递到绝缘油，油再将振动传递给油箱壁。
• 油箱壁（通常是钢板）在受到内部铁芯振动或油压波动的激励下，会像一块大面积的薄板一样产生受迫振动。
• 振动的油箱壁推动周围的空气分子，产生声波，就是我们听到的嗡嗡声。其频率成分主要就是100Hz/120Hz及其谐波（200Hz, 300Hz等）。较低频率（基频）的声音听起来是低沉的嗡嗡声，而较高频率的谐波则赋予声音一种特有的“音色”或“音调感”。

总结关键点：

根本原因： 交变电流产生交变磁通。 主要物理机制： 磁致伸缩效应 - 铁芯硅钢片随磁场变化发生周期性伸缩（基频=2倍电源频率）。 次要但重要机制： 交变电磁力（麦克斯韦应力） - 磁场产生的吸引力随磁场变化（基频=2倍电源频率），作用于铁芯接缝、夹件等结构。 频率特征： 噪音主要频率成分是电源频率的两倍（100Hz/120Hz）及其谐波（200Hz, 300Hz...）。 传递路径： 铁芯振动 → (绝缘油) → 油箱壁 → 空气 → 人耳（嗡嗡声）。 非线性与谐波： 磁致伸缩和磁化曲线的非线性是产生丰富谐波、使声音具有特定音色的关键。

降低变压器噪音的措施通常围绕减少铁芯振动和阻断/吸收振动传递：

• 选用低磁致伸缩硅钢片： 如优质取向硅钢（Hi-B钢），其磁致伸缩系数λ更低。
• 改进铁芯结构设计： 采用步进搭接（Step-Lap）叠片方式减少接缝处的磁通畸变和电磁力；优化夹件和拉紧结构，确保铁芯叠片压紧均匀牢固，减少松动。
• 减振降噪结构： 在油箱内壁敷设吸音/隔音材料（如橡胶沥青板）；在铁芯与油箱之间或夹件处安装减振器/阻尼器；采用加强筋或增加油箱壁厚来提高结构刚度，减少振动幅值。
• 优化运行磁密： 避免铁芯工作在接近饱和区（磁密过高），因为此时非线性增强，磁致伸缩和电磁力增大，谐波也更丰富。
• 降低电源谐波： 电网中的谐波电流会加剧铁芯振动和噪音。

理解磁致伸缩和电磁力是变压器噪音的核心来源，有助于在设计、制造和运行维护中采取有效措施，降低这种难以避免但可控制的“嗡嗡声”。