基于有限元法的变压器电磁振动噪声计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变压器电磁振动噪声分析与控制技术领域，具体涉及一种基于有限元 法的变压器电磁振动噪声计算方法。
【背景技术】
[0002] 变电站噪声主要来源于变压器等设备，其不仅影响周围居民的生活，还影响变压 器的运行寿命，变电站噪声是一个重要的环境问题和健康问题。变压器噪声过大可能导致 铁芯松动、绕组变形、温升增大，这些情况将对电力变压器抵御短路电流冲击的能力产生巨 大威胁，并可能造成绝缘强度的进一步降低，严重影响变压器正常运行，甚至可能引起变 压器损坏，同时也影响交流电网的正常运行。变压器噪声主要来源于电磁振动，从噪声产生 机理上研究变压器噪声不仅可以在变压器初步设计阶段预估其噪声值，还可为有效降低变 压器噪声提供理论依据。
[0003]目前，变压器电磁噪声的研究主要有以下几个方面：
[0004] (1)变压器铁芯模态振型的研究。
[0005] 对变压器铁芯进行大量模拟，求解铁芯的模态共振频率，从而可使变压器避开共 振，减少变压器噪声。一些学者利用有限元法分析铁芯叠片结构分层对铁芯的影响，发现采 用不同模型来模拟叠片结构对变压器铁芯振动模态的计算结果影响很大。振动模态分析并 不能反映变压器产品在实际运行过程中的状态，为了得到更准确可靠的仿真计算，利用有 限元法获得大型电力变压器在电磁和结构的耦合振动的模拟。但该方面研究仅限于变压器 铁芯的振动模态，未涉及变压器绕组的振动及振动产生的噪声。
[0006] ⑵电磁-机械耦合数值模型。
[0007] 从变压器铁芯振动噪声的根源即磁致伸缩及位移进行分析计算。考虑磁和磁致伸 缩的各向异性，建立变压器三维电磁-结构强耦合数值模型。结合取向硅钢片磁化、磁致伸 缩特性的测量结果对变压器铁芯进行磁场分布和振动位移的有限元计算，进一步分析铁芯 周围声场的分布情况。该模型考虑铁芯磁致伸缩等因素对变压器电磁振动进行有限元分 析，但声场分析采用经验公式，计算结果不十分理想。
[0008] (3)基于间接边界元法的电力变压器油箱辐射噪声模型。
[0009] 运用LMS Virtual. Lab Acoustics大型有限元声学计算软件建立变压器油箱声 场模型，采用实测的变压器油箱表面法向振动加速度预估变压器油箱辐射噪声声场。这里 将试验中测得的油箱表面振动的法向加速度直接作为声场计算的边界条件，声学计算基于 Helmholtz积分公式，是一种理论计算与实验测量相结合的方法。但是由于测量困难以及误 差，此模型不是十分准确。
[0010] (4)其他研究。
[0011] 从直流偏磁机理和振动噪声的基本原理入手，研究变压器受直流偏磁影响时的一 些基本工作状态，主要针对变压器铁芯在直流偏磁下的振动和噪声问题开展具体的研究， 应用有限元商业软件对变压器在直流偏磁下的电场、磁场、结构力场、声场进行耦合计算， 并对变压器铁芯进行自由模态分析，求出固有频率和模态振型。
【发明内容】
[0012] 针对现有技术存在的不足，本发明基于已有的变压器电磁噪声研究，提出了一种 基于有限元法的变压器电磁振动噪声计算方法。
[0013] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0014] 基于有限元法的变压器电磁振动噪声计算方法，包括步骤：
[0015] 步骤1，根据变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，构建变压器的三维几何模型， 采用有限元法对三维几何模型分别进行结构网格和声学网格划分，得由结构网格模型和声 学网格模型组成的变压器的三维几何网格模型；
[0016] 步骤2,结构网格模型中三相低压绕组截面上分别施加相位相差120度的正弦电 流，结构网格模型外侧施加狄里克莱边界条件，采用ANSYS Maxwell工具对结构网格模型瞬 态电磁仿真获得各相绕组和铁芯所受的瞬态电磁力波；
[0017] 步骤3,对各相绕组和铁芯的瞬态电磁力波进行FFT变换，得各相绕组和铁芯所受 电磁力的频域分布，即电磁力谐波；
[0018] 步骤4,以步骤3所得电磁力谐波为激励，对结构网格模型中绕组的撑条截面位置 和铁芯底面施加全约束，采用ANSYS工具对结构网格模型进行谐响应分析，获得绕组和铁 芯表面节点的振动位移数据；
[0019] 步骤5,以PML声吸收边界条件为约束条件，将步骤4所得绕组和铁芯表面节点振 动位移数据映射到声学网格模型作为边界条件，采用LMS有限元声学工具对声学网格模型 进行声场模拟，获得变压器的福射噪声分布。
[0020] 步骤1中，变压器的三维几何模型采用Solidworks软件构建，具体为：
[0021] 将绕组建立为圆柱筒形；将铁芯建立为整体，忽略铁厄和铁柱间接缝；将油箱建 立为长方体，其他部分作为变压器油。
[0022] 步骤1中，采用有限元法对三维几何模型分别进行结构网格和声学网格划分，具 体为：
[0023] 采用ANSYS工具中solid45结构单元对三维几何模型中铁芯和绕组进行网格划 分，得结构网格模型；采用ANSYS工具中fluid30流体单元对变压器油进行网格划分，得声 学网格模型。
[0024] 步骤3进一步包括：
[0025] 对各相绕组和铁芯所受的瞬态电磁力波进行FFT变换，得各相绕组和铁芯所受电 磁力的频域分布；
[0026] 根据频域分布得IOOHz和200Hz频段各电磁力的幅值与相位，并忽略幅值与IOOHz 和200Hz频段电磁力的最大幅值相差10倍以上的电磁力，即电磁力谐波。
[0027] 步骤4进一步包括：
[0028] 将电磁力谐波IOOHz和200Hz频段分量平均施加到结构网格模型中绕组和铁芯各 节点，对各高压绕组和低压绕组撑条截面位置和铁芯底面施加全约束，采用ANSYS分别计 算IOOHz和200Hz频段下绕组和铁芯的振动位移情况，提取绕组和铁芯表面节点的振动位 移数据。
[0029] 和现有技术相比，本发明具有如下优点：：
[0030] (1)将电磁、结构和声场进行耦合分析，可方便地进行各分析结果的数据传递。
[0031] (2)全面考虑了噪声的各影响因素，计算结果准确可靠。
[0032] (3)可用于绕组短路振动变形分析等，也可为电机的噪声分析提供方法和依据。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明方法流程图；
[0034] 图2为实施例中变压器的三维几何模型和三维几何网格模型，其中，图（a)为三维 几何模型，图（b)为三维几何网格模型；
[0035] 图3为实施例中变压器周围辐射噪声分布情况，其中，图（a)和（b)分别为变压器 正面IOOHz和200Hz噪声分布，图（c)和（d)分别为变压器侧面IOOHz和200Hz噪声分布。
【具体实施方式】
[0036] 下面将结合附图对本发明【具体实施方式】进行详细说明。
[0037] 图1为本发明方法流程图，具体步骤如下：
[0038] 步骤1，构建变压器的三维几何网格模型。
[0039] 采集变压器的绕组、铁芯和油箱的结构参数，所述的结构参数包括高压绕组和低 压绕组的内径和外径、铁芯的半径、铁柱高度、铁厄长度、油箱的长宽高。采用Solidworks 工具构建变压器的三维几何模型。三维几何模型的构建中，将绕组建立为圆柱筒状；将铁芯 建立为整体，忽略铁厄和铁柱间的接缝，铁芯由铁厄和铁柱构成；将油箱简化为长方体，油 箱与铁芯、绕组相交以外的部分为变压器油。
[0040] 在采用有限元法求解模型时，需要对模型进行网格划分，因此，利用ANSYS工具 将变压器的三维几何模型划分为由结构网格模型和声学网格模型构成的三维几何网格模 型，具体为：采用 s〇lid45结构单元对绕组和铁芯进行网格划分，即得结构网格模型；采用 fluid30流体单元对变压器油进行网格划分，即得声学网格模型。
[0041] 步骤2,基于有限元模型的瞬态电磁场分分析。
[0042] 本步骤采用有限元法实现。将变压器的三维几何网格模型导入ANSYS Maxwell工 具，设置变压器各结构的材料属性并施加激励与约束条件，所述的变压器各结构包括铁芯、 绕组和变压器油。
[0043] 本具体实施中，铁芯设置为硅钢片材料，并设置堆叠系数、密度、磁导率等材料属 性，铁芯的磁导率的设置即设置铁芯在乳制方向和垂直于乳制方向的非线性B-H磁化曲 线。为考虑磁致伸缩效应，根据相对磁导率与应力的电磁关系Δ//=-2/1,"即2 /疋和应力与 磁感应强度的关系Β。= (μ + Δ μ)Η+λ 〇计算的理论值，采用插值迭代法修正铁芯的非线 性B-H磁化曲线，其中，Δ μ表示磁导率修正值，Ani为磁饱和情况下的磁致伸缩系数，〇为 应力，μ为磁导率，B n为饱和磁感应强度，B。为应力作用下的磁感应强度，H为磁场强度， λ为磁致伸缩系数。绕组设置为铜材料，并设置密度、电导率等材料属性。变压器油设置为 绝缘油材料，并设置相对电导率、相对磁导率等材料属性。
[0044] 设置高压绕组和低压绕组