基于电磁-结构力场耦合的铁芯电抗器振动特性分析及优化方法

建立准确的材料磁致伸缩模型是分析铁芯电抗器振动特性的关键。为准确建立硅钢片磁致伸缩模型，基于经典Jiles-Atherton(J–A)磁滞模型和二次畴转模型建立了铁芯材料磁致伸缩模型，提出了基于改进粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)与归一化的阻尼最小二乘算法(Levenberg-Marquardt, LM)的混合优化算法，结合实验测量结果，该算法能够准确和快速辨识模型中的5个特征参数。根据软磁材料模型特征参数，构建了考虑磁致伸缩特性的三相干式铁芯电抗器几何模型，分析了铁芯电抗器铁芯振动位移分布。利用中心组合试验设计与有限元仿真相结合的方法，获得了不同气隙结构参数下电抗器的振动位移仿真结果，并建立了能够准确预测铁芯振动位移的正交多项式模型。以电抗器铁芯振动位移最小作为目标函数，在保证电感值基本不变的情况下获得了铁芯最佳气隙长度。优化结果表明，在最佳气隙结构参数下电抗器振动位移减少了10%，电感值变化仅为0.051%，优化方法对于降低铁芯电抗器的振动具有重要的参考意义。     

不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析

实际运行工况下,非晶合金变压器的振动噪声要明显高于传统取向硅钢铁芯变压器,其原因主要是相同磁化条件下非晶合金的磁致伸缩现象通常高于冷轧取向电工钢片。因此,深入掌握不同铁磁材料的磁致伸缩特性是有效解决变压器铁芯减振降噪问题的前提和基础。本文首先测试了非晶合金带材在交变磁化下的磁致伸缩特性,得到了不同磁化强度下磁致伸缩回环曲线,以及磁致伸缩峰峰值与磁化强度的关系曲线,并与取向电工钢片的磁致伸缩特性进行了对比分析。在此基础上,仿真计算了一台非晶合金变压器铁芯三维主磁场分布,并结合上述磁致伸缩特性曲线,建立了铁芯振动位移数值仿真模型和声场仿真模型,完成了铁芯结构力场和声场的多物理场耦合计算,得到了磁致伸缩效应引起的非晶变压器铁芯振动位移与噪声分布。最后,对比分析了不同铁磁材料变压器铁芯的振动和噪声。研究结果表明,在同样磁化条件下,非晶合金带材的磁致伸缩应变是取向硅钢片的50倍左右,由此引起的非晶变压器铁芯噪声高于传统硅钢变压器铁芯20dB左右。     

电抗器铁芯振动噪声的多场耦合分析方法

针对电抗器铁芯磁致伸缩导致的振动噪声问题,提出在瞬态电磁场方程和结构力场方程及声场方程的基础上建立物理模型。从多物理场耦合的角度,对一台三相串联铁芯电抗器的磁场分布、铁芯磁致伸缩位移、铁饼间的麦克斯韦力、应力和声压级进行计算。对磁致伸缩和麦克斯韦力作用下的振动位移和声场分布分别分析,得出磁致伸缩是电抗器铁芯振动的主要原因。实验研究表明,增加修正系数后的电抗器振动噪声仿真结果与实测得到的电抗器振动噪声基本一致,满足工程需要,证实多场耦合分析方法可用于电抗器设计阶段对铁芯噪声进行预估。     

超高压变压器铁芯硅钢片磁致伸缩力数值计算

超高压电力变压器本体振动噪声主要来源于铁芯磁致伸缩,为了准确计算变压器铁芯磁致伸缩效应,提出了基于磁致伸缩力–热应力比拟的数值计算方法。首先采用ANSYS有限元分析软件建立电力变压器3维瞬态电磁场数值计算分析模型,通过求解提取铁芯每个节点不同时刻的的磁密值;其次根据磁致伸缩力–热应力的比拟,加载试验测得的硅钢片磁致伸缩特性曲线,计算得到铁芯不同时刻各个节点的磁致伸缩力;然后将铁芯磁致伸缩力导入到结构场和声场计算模型中,求得铁芯本体的振动位移及其声压分布;最后对通过减小磁密来降低铁芯本体振动噪声的效果进行了分析,并对比了不同磁密下铁芯本体振动噪声的强度与分布,证明了该方法的有效性,对比结果表明铁芯磁密降低0.05 T,其声压最大值降低约1.26 d B。     

考虑铁心磁致伸缩与绕组受力的高压并联电抗器振动研究

铁心磁致伸缩效应与绕组受力是高压并联电抗器振动的主要原因。基于晶粒取向型硅钢片的磁致伸缩产生机理,将铁心磁致伸缩本质模型及Jiles磁致伸缩模型与实验数据进行对比分析,结果表明本质计算模型能准确地模拟硅钢片的磁致伸缩应变。在确定磁致伸缩本质计算模型有效性的基础上,用多物理场仿真软件COMSOL建立了一台额定电压为10.5 kV、容量为30 000 kvar高压并联电抗器本体结构的振动计算模型。从磁-机械场耦合的角度分析高压并联电抗器铁心振动与绕组受力特性,结果表明绕组受力很大,引起的振动不容忽略。同时研究了具有不同杨氏模量的气隙垫块对并联电抗器铁心振动的影响,杨氏模量越大的气隙垫块对高压并联电抗器的振动抑制效果越好。     

直流偏磁时变压器铁芯的力学特性分析

直流偏磁导致变压器局部过热,振动和噪声加剧,严重时可能损坏变压器。结合能量守恒原理,推导得到铁芯磁致伸缩与直流偏磁电流间的关系模型。基于所建立的数学模型,分析了直流偏磁引发的硅钢片的形变。以单相三柱变压器旁柱上最外层的硅钢片为对象进行了仿真研究,仿真结果证实了所推导模型的正确性,且表明磁致伸缩引发的铁芯形变是变压器振动加剧的关键因素。     

应用磁–机械耦合场频域解法的铁芯直流偏磁振动特性分析

为了探究直流偏磁下叠片铁芯的振动特性,首先采用一台基于激光多普勒效应的磁致伸缩测量系统对取向硅钢片在有、无直流偏磁条件下的磁致伸缩特性进行测量,分析直流偏磁对磁致伸缩的影响。其次对三柱叠片铁芯模型在直流偏磁工况下进行实验,用激光测振仪测量铁芯振动。最后建立磁–机械耦合场的频域数值模型,基于谐波平衡法对非线性磁场和位移进行求解,将测量结果和计算结果相比较,验证了所提数值模型及频域分解算法的有效性。计算结果表明直流偏磁不但加剧了变压器铁芯振动,还会影响其振动频率。     

考虑实际工况下串联铁心电抗器的振动研究

串联铁心电抗器广泛应用于电力系统,但其噪声明显高于变压器。电抗器振动主要来源于气隙处的电磁力和硅钢片的磁致伸缩力,使铁心在实际工作状态中时刻存在应力,影响着硅钢片的磁特性。首先测试了硅钢片在不同应力下的磁特性曲线;然后,在考虑磁致伸缩效应的基础上建立了电抗器的电磁-机械双向耦合模型;最后,通过仿真计算出电抗器铁心的磁场及振动的分布情况。结果表明,总的振动效果并非2个力单独作用时的简单叠加。     

基于气隙结构的特高压并联电抗器铁芯减振技术

为解决多气隙的特高压并联电抗器振动极易超标的问题,该文基于气隙结构的差异性设计研究,提出了含多气隙的特高压并联电抗器减振优化设计方案.首先分析了特高压并联电抗器铁芯的振动机制,指出麦克斯韦力和磁致伸缩力的矢量和是影响铁芯振动强度的主要原因.然后通过调节铁芯气隙长度的排布方式,搭建了一系列具有不同气隙结构的特高压并联电抗器铁芯真型仿真模型,并采用多物理场有限元仿真计算的方法,系统性地研究了气隙结构对特高压并联电抗器铁芯振动的影响规律.研究结果表明:铁芯气隙结构的变化会影响麦克斯韦力和磁致伸缩力的大小和作用位置,并改变铁芯的表面应力分布,进而影响铁芯的振动强度.最后,为现有特高压并联电抗器的铁芯设计提供了基于气隙长度差异性排布的减振方案.该文提出的基于气隙结构的特高压并联电抗器铁芯减振技术能够使铁芯振动位移均方根值减小5.881％.在不提高特高压并联电抗器生产成本的前提下,可以有效缓解其振动超标问题.     

考虑磁化及磁致伸缩特性各向异性的 感应电机铁心电磁应力分析

感应电机铁心电磁应力主要来源于硅钢片的磁致伸缩以及定转子间麦克斯韦电磁应力,在正弦及谐波激励下,硅钢片均具有较强的磁各向异性。因此,为了准确计算电机铁心电磁应力,在该文首先对无取向硅钢片在正弦及谐波激励下的磁化和磁致伸缩特性曲线进行测试;然后,建立考虑磁化及磁致伸缩特性各向异性的感应电机电磁-机械耦合振动模型,并计算电机铁心电磁应力分布;最后,通过对比有无考虑磁各向异性的电机模型计算结果,分析电机铁心的应力分布的各向异性,同时,计算了5次谐波和7次谐波注入下电机定子铁心电磁应力曲线及频谱,发现在100 Hz和200 Hz频率时,谐波对应力幅值的影响较大。     

特高压换流阀阳极饱和电抗器动态铁芯损耗模拟

阳极饱和电抗器作为特高压直流输电关键装备,其铁芯损耗直接影响换流阀的安全运行。以动态铁芯损耗模型为基础,基于有限元法开展电抗器铁芯损耗计算和涡流分析。应用复合B-H传感技术搭建二维磁特性测量装置,测量超薄硅钢片在高磁通密度下的磁化曲线、比总损耗曲线等磁特性参数。基于电磁有限元仿真,建立阳极饱和电抗器铁芯均质化模型,计算实际工况下的损耗功率,分析磁场、损耗、涡流等分布规律。结果表明:换流阀开通和关断的过程中,阳极饱和电抗器在脉冲电流激励下的铁芯损耗远高于正弦激励损耗。由于漏磁场的影响,铁芯的气隙两侧存在较大涡流,沿铁芯带材边缘形成环流,漏磁场损耗主要分布在铁芯表面。通过阳极饱和电抗器温升试验测得其外壳平均温度在实际工况下可达76℃,并由此验证了铁芯损耗计算的正确性。     

负磁致伸缩材料对电机振动噪声抑制的分析

针对硅钢片磁致伸缩效应造成电机振动噪声问题,研究在电机定子硅钢片上打孔并填充负磁致伸缩材料来减小电机振动噪声。建立电磁-机械耦合数值模型,用有限元方法计算并分析了由磁致伸缩效应引起定子结构的振动,得到在电机定子铁心的齿根和齿尖处的振动较大;选择在应力集中的地方打孔,分别计算了填充负磁致伸缩材料Ni和SmFe_2时的应力和振动情况,计算结果显示电机定子应力和振动减小。     

动静态力共同作用对电抗器铁心振动影响

带气隙结构的并联电抗器铁心在实际运行中,除受到螺杆与夹件施加的静态压紧力外,也会受到磁致伸缩力与铁心饼间麦克斯韦力的动态力作用,动静态力都对铁心的磁性能产生影响,进而影响电抗器铁心振动特性。目前的研究主要集中于静态压紧力对硅钢片磁特性以及电抗器铁心振动特性的影响,动态力对其影响的研究未见报道,更没有考虑共同作用的影响。该文首先测量动静态力共同作用下硅钢片的磁特性曲线;其次建立考虑动静态力共同作用的电抗器电磁场-机械场双向耦合模型,对并联电抗器进行电磁振动计算;最后搭建振动测量实验平台,实验结果验证了所建模型的正确性与精准性,为进一步分析电抗器振动问题提供理论支持和分析方法。     

谐波对感应电机振动影响研究

为了研究实际工况下感应电机的振动情况,对不同谐波参与下硅钢片的磁化特性和磁致伸缩特性进行测量。基于测得的本构关系,建立电机铁心的电磁-机械多场耦合模型。考虑电磁力和硅钢片的磁致伸缩效应,进行感应电机在不同谐波参与下电磁场和机械场的数值计算,以得到磁密、应力和振动的分布情况,进而分析谐波对电机铁心振动的影响,为减少感应电机的振动噪声提供有力的理论依据与计算方法。     

基于三维磁特性电抗器电磁振动分析

为准确分析评估电抗器电磁振动噪声大小,准确的三维磁特性是开展计算分析的数据基础。在利用课题组研发的测量电工磁性材料三维磁特性的装置测量获得无取向硅钢立方叠片三维磁特性的基础上,对饱和电抗器电磁振动进行了计算分析。首先考虑磁各向异性和磁致伸缩效应,确立了电抗器磁机械弱耦合分析模型;其次对饱和电抗器样机实例模型进行了分析计算,并将计算结果与不考虑三维特性进行比较分析;最后对电抗器样机进行了振动测量实验,并将测试结果与分析结果进行对比分析,总结三维磁特性在提高计算分析样机电磁振动准确度的贡献。     

气隙结构对特高压并联电抗器铁芯振动的影响

以气隙个数和气隙位置对特高压并联电抗器铁芯振动的影响为主要研究对象,在分析特高压并联电抗器铁芯振动机制的基础上,指出了麦克斯韦力和磁致伸缩力的矢量和是影响铁芯振动强度的主要原因;系统分析了铁芯气隙可能存在的结构型式,搭建了具有不同气隙个数和气隙位置的特高压并联电抗器铁芯的真型仿真模型,并采用多物理场有限元仿真计算的方法,得到了气隙结构对特高压并联电抗器铁芯振动的影响规律。研究结果表明,在研究范围内(气隙个数为15~25),特高压并联电抗器铁芯气隙个数越少则振动强度越弱;气隙位置越靠近底轭则振动越强,越靠近铁芯柱3/4高度中心则振动越弱。在此基础上提出一种特高压并联电抗器铁芯减振设计方案,与现有铁芯设计方案相比该方案能够使铁芯振动位移均方根减小18.925%。     

基于磁致伸缩本征特性的晶粒取向性变压器铁心振动模型

硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动是变压器噪声的主要来源。为研究由该振动引起的噪声分布并为降噪提供依据,必须对硅钢片的磁致伸缩现象有一个清楚的认识。不同于以往通过实验数据拟合得到磁致伸缩经验公式模型的方法,该文从磁致伸缩的物理发生机制出发,建立了适用于晶粒取向性硅钢片的磁致伸缩本质模型,该模型综合考虑了磁场和外应力对磁致伸缩现象的影响,为准确模拟实际变压器铁心的磁致伸缩提供了理论依据。基于磁致伸缩本质模型,利用弹性力学相关理论,进一步建立了变压器铁心的振动模型,并利用有限元软件ANSYS进行了仿真分析。仿真结果表明,所建立的模型可准确模拟磁致伸缩引起的铁心变形,为后续的噪声分析打下了良好的基础。     

串联铁心电抗器的振动研究

电抗器的振动不仅会产生噪声污染还会影响电抗器的安全运行。串联铁心电抗器产生振动的原因除硅钢片的磁致伸缩效应外,还包括铁心气隙处的电磁力。首先建立了考虑磁致伸缩效应的串联铁心电抗器三维磁-机械耦合模型,依据此模型计算了单独考虑电磁力、单独考虑磁致伸缩力及二者共同作用下电抗器振动的加速度值,结果表明磁致伸缩效应与电磁力都对电抗器的振动产生影响,在不同方向上二者的作用有所不同。最后通过与实验测得的振动加速度值进行比较,发现测量值与同时考虑磁致伸缩效应和电磁力的计算值更加吻合,从而验证了所建模型的正确性,为进一步研究电抗器的减振降噪提供理论依据。     

干式铁心电抗器电磁-热-结构多物理场耦合仿真及协同优化研究

干式铁心电抗器长期处于电磁、热及应力等物理场中,其温升和振动问题日益严重。为了解决上述问题,提高金属导体材料的利用率,该文提出了干式铁心电抗器多物理场耦合仿真与协同优化相结合的设计方法。首先分析铁心电抗器温升及振动机理,指出影响铁心电抗器温升及振动的主要因素。然后,搭建干式铁心电抗器系统级协同优化模型。温升方面采用包封线圈-气道单元散热效率优化方法,在振动方面采用Kriging近似模型优化方法,通过灵敏性分析将设计变量划分为敏感和不敏感2个层次。最后,采用多岛遗传算法获得最佳的设计,仿真结果验证了优化设计方法的正确性。优化结果表明,该文提出的干式铁心电抗器多物理场协同优化设计方法,在满足电感、温升和振动等参数的前提条件下,绕组和铁心的用量分别减少了17.1%和6.7%,显著提高了金属导体利用率。     

考虑ΔE效应的磁控电抗器振动特性分析

在磁控电抗器气隙填充负超磁致伸缩材料能够减振。但是超磁致伸缩材料的杨氏模量E在磁场中会发生变化,即具有ΔE效应。本文针对这一特点,基于有限元法建立了考虑垫块ΔE效应的磁控电抗器电磁-机械耦合模型,对磁控电抗器的振动特性进行了分析,最后对定制的磁控电抗器样机的振动加速度进行了实验测量,仿真和实验结果验证了所建立数学模型的正确性,为电工装备减振降噪提供了理论依据。