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。     

考虑磁致伸缩效应的永磁同步电机磁-机械耦合模型

在永磁同步电机振动噪声的计算过程中,需考虑磁致伸缩效应的影响。建立了考虑磁致伸缩效应的定子铁心磁-机耦合模型,解析计算了电磁力密度及磁致伸缩力密度。数值计算了定子振动位移、振动速度和声压分布。所得结果与定子铁心在电磁力单独作用下的振动噪声响应进行了对比。在考虑磁致伸缩效应时,定子齿径向力密度幅值比电磁力单独作用时增加了13. 1%,定子铁心的变形量比电磁力单独作用时变形量增加了13. 4%,声压级也明显增加。对比表明,磁致伸缩效应对于电机振动噪声有重要贡献。在低噪声永磁同步电机的研发设计阶段,不能忽略磁致伸缩效应的影响。     

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。     

考虑磁致伸缩效应电力变压器振动噪声的研究

硅钢片磁致伸缩是电力变压器产生振动噪声的主要原因,本文利用能量变分原理,建立了考虑电力变压器铁心磁致伸缩效应的三维磁-机械强耦合数值模型,应用有限元计算了三相三柱干式变压器空载条件下的磁场分布和铁心振动位移;在此基础上分析了铁心周围的声场分布。为了验证模型,对变压器铁心的振动和噪声分别进行了实验研究。理论计算与测量结果的比较证实了该强耦合模型的正确性,为在设计阶段计算变压器振动噪声大小、分布和寻求新的降噪措施,提供了理论依据和计算方法。     

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。     

直流偏磁对变压器振动噪声的影响

取向硅钢片的磁致伸缩特性是引起变压器振动噪声的主要原因,并且直流偏磁在很大程度上加剧了变压器的振动噪声。本文首先测量了取向硅钢在不同磁密下的磁致伸缩蝴蝶曲线族,研究了轧制方向(RD)和垂直轧制方向(TD)磁致伸缩的特性,同时研究了直流偏磁对磁致伸缩特性的影响,然后用平均磁致伸缩曲线来模拟取向硅钢片的磁致伸缩特性,并将其应用到直流偏磁条件下一台160k V·A干式变压器空载振动的有限元计算。最后实验测量了直流偏磁条件下变压器铁心不同位置的空载振动,以及随着直流偏磁的增大,噪声声压级的值。综合有限元计算和实验测得的空载振动噪声值,分析了直流偏磁对变压器振动噪声的影响。     

基于 COMSOL 的变压器铁心振动声场分布的 有限元仿真

为了研究变压器铁芯振动噪声的分布情况,本文基于COMSOL的多物理场耦合计算分析一台200 kVA油浸式变压器铁芯振动的声场分布。首先利用COMSOL有限元计算软件,构建了200 kVA油浸式变压器铁芯振动的电-磁-力多物理场模型,计算出变压器铁芯磁场分布情况及铁芯所受应力分布变化规律、位移分布规律,并对铁芯的典型位置的应力时域数据做频谱分析,得到铁芯所受应力集中在100、200、300 Hz.再将上述多物理场计算出的铁芯表面加速度经过FFT变换后的频域数据作为声场的激励源,作声场的谐响应分析计算出变压器铁芯振动的声场分布。最后,以一台200 kVA变压器空载实验数据验证仿真数据的正确性,经过比较发现有较好的吻合效果。仿真与实验得到的一致规律是：变压器铁芯振动噪声频率集中在500 Hz以下,且发现规律：变压器油箱的侧方声压>上方声压>正面声压;变压器油箱的侧方及上方的声压频率含量是100 Hz>200 Hz>300 Hz,而油箱的正面声压频率含量是100 Hz>300 Hz>200 Hz。     

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。     

磁致伸缩在电机电磁振动中的贡献分析

对磁性材料磁致伸缩的数值计算方法进行了探讨,并以某永磁电机为研究对象,采用改进的热比拟有限元法进行了电机内部磁致伸缩力和麦克斯韦力的数值计算研究,并进行了振动响应的贡献度对比分析,对电机的减振降噪研究具有一定的指导意义.     

直流偏磁磁场对硅钢片磁致伸缩特性的影响分析

直流偏磁条件下电力变压器铁心的振动噪声明显加剧,铁心的磁致伸缩效应是其主要原因之一。目前有关直流偏磁磁场对硅钢片磁致伸缩特性的影响规律尚不完全清楚,亟需从实验测量角度定性地分析其影响规律,为建立有效地减小电力变压器铁心振动噪声的方法提供参考。该文在一台精度为10nm/m的激光位移磁致伸缩测试系统上,对不同直流偏磁磁场下取向硅钢片的磁致伸缩特性进行实验研究,对比分析交变磁化及直流偏磁磁化在磁场饱和前后对磁致伸缩波形形状、峰峰值的影响规律,并将测量结果应用于一台电力变压器铁心的振动位移分析。结果表明:直流偏磁磁场使磁致伸缩回环失去原有的对称性,这种影响会随着磁场饱和程度的增加逐渐减弱;随着偏磁磁场的增加,磁致伸缩峰峰值增大,硅钢片的形变加剧。     

非晶合金电机振动噪声影响因素的研究

磁致伸缩和叠压影响是引起非晶合金变压器振动噪声的主要原因,而在硅钢片电机的振动噪声计算中这两种因素经常被忽略。为此本文对非晶合金电机振动噪声影响因素进行了深入研究。首先,基于压磁方程建立了磁—机械耦合数学模型。以一台2.1k W非晶合金永磁电机为例,考虑磁致伸缩和叠压影响,应用二维有限元计算了该电机在不同供电条件下的磁场分布、形变和振动加速度。在此基础上分析了定子铁心周围声场分布,通过实验验证了计算方法的有效性。之后,通过电磁力、磁致伸缩和叠压三种影响因素对硅钢片电机和非晶合金电机振动噪声影响的研究发现:磁致伸缩对硅钢片电机的振动噪声影响较小;磁致伸缩和叠压影响对非晶合金电机振动噪声影响较大,在计算非晶合金电机振动噪声时磁致伸缩和叠压影响不能被忽略。     

直流偏磁下叠片铁心磁致伸缩的实验测试与分析

电工钢片磁致伸缩效应是引起变压器铁心振动,并产生噪声的主要原因之一,直流偏磁的存在加剧了铁心的磁致伸缩形变。基于爱泼斯坦方圈装置开发了电工钢片叠片结构磁致伸缩特性测量系统,测量并分析了取向电工钢片叠片结构在不同直流偏磁磁场、磁化角度及磁化强度下磁致伸缩主应变大小和方向的变化情况,对比分析了单片电工钢片与其叠片结构磁致伸缩特性的差异,讨论了直流偏磁磁场对叠片结构磁致伸缩特性的影响,并建立了材料磁致伸缩特性数据库。基于上述测量数据,计算了直流偏磁下单相变压器铁心模型的磁致伸缩应变,并与实测值进行了对比验证,为直流偏磁下变压器铁心振动噪声的研究奠定基础。     

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。     

考虑硅钢片磁致伸缩特性的干式铁芯电抗器铁芯振动分析及优化

铁芯电抗器振动的主要原因包括铁芯的麦克斯韦力及硅钢片的磁致伸缩效应。为了准确地建立硅钢片磁致伸缩模型，基于Jiles-Atherton磁滞模型，并根据软磁材料的二次畴转模型理论，建立铁磁材料磁致伸缩模型，采用自适应模拟退火(adaptive simulated annealing, ASA)算法提取模型中的多个参数。在确定磁致伸缩模型有效性的基础上，利用多物理场仿真软件构建考虑磁致伸缩模型的干式铁芯电抗器振动计算模型，分析铁芯电抗器铁芯的振动分布特点，结合拉丁超立方抽样实验方法与Kriging模型建立能够准确预测铁芯振动位移的优化模型，在均衡铁芯电抗器电磁及振动特性的情况下使得铁芯上的金属导体用量最小化，获得电抗器铁芯的最佳结构。并对比分析优化前后电抗器模型的特性，优化数据显示，电抗器铁芯部分的金属导体用量相较于优化前降低9.21%，且此时的电感仅改变了0.31%，同时优化后铁芯振动减少18.18%，满足电抗器电磁及振动要求。     

基于有限元法的变压器振动噪声研究

对油浸式电力变压器的振动和噪声进行了系统的分析与研究,编制磁致伸缩力的计算程序,声功率级的仿真结果与实测值的误差为0.2%,验证了仿真计算方法的准确性。对减振垫不同厚度下的噪声进行了仿真,研究表明:减振垫的厚度增加可以降低变压器的噪声,但厚度增加到30mm以上时,变压器的噪声基本保持不变,减振垫不再起积极作用。基于以上的分析,提出了在变压器油箱外表面涂阻尼涂料,加装加强筋且灌沙等方案,与原始方案进行对比,声功率级最多可以降低5d B。     

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。     

110kV电力变压器本体噪声的降低

分析了变压器本体噪声产生的原因，从减少铁心磁致伸缩和振动出发，介绍了在设计和制造过程中降低和抑制噪声的实用方法。     

电机旋转磁场中磁致伸缩导致的振动频率特性

噪声抑制是电机设计和应用中亟待解决的重要问题,在大型电机中磁致伸缩效应引起的振动噪声占比较大。本文首先建立电机电磁—机械耦合数值模型,分析电机定子上的应力特性,发现引起电机定子齿顶部和根部的磁密分布比较集中,应力较大的原因是磁路转向和畸变。然后设计实验对仿真结果进行验证,测量电机定子上的振动,发现最大低频力波为电源供电频率的一倍频力波,在同样测量条件下,测量三相变压器铁心上的振动,发现变压器在铁心磁路转向处有明显的一倍频力波。     

直流偏磁下单相变压器铁心实验模型局部磁致形变测量与模拟

电工钢片的磁致伸缩效应是变压器振动噪声的主要来源之一,实际工况下变压器铁心的磁致伸缩特性比单片电工钢片的特性更为复杂,而直流偏磁的存在会加剧铁心的形变。为了进一步掌握变压器铁心的磁致形变特征,该文直接对单相变压器铁心局部应变进行实验测试,开发并搭建叠片结构的单相双柱变压器铁心磁致伸缩测试系统,测试并分析不同磁化方式下不同局部区域的磁致伸缩特性,讨论直流偏磁磁场对铁轭以及芯柱磁致伸缩性能的影响,分析夹件位置和夹紧力对变压器铁心磁致伸缩的影响。基于实验测试数据,从工程应用角度提出直流偏磁下基于BP神经网络的叠片铁心磁致伸缩模拟方法。研究结果表明,实际工况下变压器铁心拐角区域由于旋转磁场的存在导致磁致伸缩增大,适当的夹紧位置和夹紧力可有效降低铁心磁致伸缩应变,神经网络法能较好的模拟直流偏磁下变压器铁心局部的磁致形变特性,更适用于工程实践。     

电力变压器铁心硅钢片振动与微观变形特性研究

电力变压器本体噪声主要来源于铁心硅钢片的磁致伸缩产生的振动。依据实际50 MVA/110 kV变压器铁心结构,搭建了四角铁心模型,研究了变压器铁心不同区域,不同方向的振动情况以及铁心硅钢片磁致伸缩机理。结果表明:硅钢片中心区域的振动值明显小于硅钢片接缝区域的数值,平行方向振动值小于垂直方向;在硅钢片中心区域,垂直方向上振动峰值频率主要出现在100、200、300、400 Hz等频段,平行方向上为100、200、600 Hz等频段;在硅钢片接缝区域,垂直方向上振动峰值频率主要出现在100、200、300、500 Hz等频段;平行方向上为100、200、300、600,700 Hz等频段;铁心硅钢片在施加磁场后的平面中心区域与接缝区域磁致伸缩均由晶界移动、晶粒变形和转动行为引发。