ABB 公司借助仿真将变压器噪声降至最小

Bridget Paulus 2016年 8月 9日

在现代社会,电力变压器是人们的日常生活中不可或缺的一类设备,但是此类设备在运转时却会带来很大的噪声。这些声音是由变压器不同部件的振动而产生的,且不可能被完全消除。为了降低这种噪声,来自 ABB 公司研究中心的一个工程师团队借助 COMSOL Multiphysics® 模拟了变压器系统中的声学、电磁、及力学行为。

什么原因导致变压器发出嗡嗡的噪音?

输电线进行交流电的传输依赖于变压器升高或降低电压的能力。较高的电压可使输电线在进行长距离传输时减少电能的损耗,同时在城镇和建筑物附近以较低的电压进行传输可以确保安全性。变压器是电力供应的必要组件,但它们也带来了不必要的噪声。

图像展示了电力变压器的有源部件。
电力变压器的有源部件。

“变压器的嗡嗡声”是由设备中各类部件的振动引起的。影响因素包括:被线圈缠绕的金属芯、油箱,及油箱内的变压器油。交流电流经线圈产生了磁通量,进而使具有磁致伸缩效应的磁芯产生了机械应变。随着磁通量方向的变化,磁芯也不断迅速扩张和收缩。由此产生的振动经变压器油传送到了油箱及磁芯的附着点。同时交流电也会因线圈绕组中的洛伦兹力而产生负载噪音。

图片展示了 ABB 公司的变压器模型。
ABB 公司的变压器设计模型。

为了找到在不影响变压器性能的前提下降低噪声的方法,来自 ABB 公司(世界上最大的变压器制造商之一)的工程师团队借助 COMSOL Multiphysics 对他们的设计进行了仿真。

模拟变压器系统中的多物理场现象

来自 ABB 公司研究中心(Corporate Research Center,简称 CRC)的 Mustafa Kavasoglu、Anders Daneryd 博士和 Romain Haettel 博士对变压器进行了建模,致力于将变压器噪声降到最低。他们模拟了变压器磁芯、油箱、线圈绕组的电磁、声学及力学行为。通过使用多个仿真,他们观察了磁芯内的磁通量、由磁芯内的磁致伸缩应变引起的位移,及线圈绕组内的洛伦兹力。

研发团队还计算了油箱内由声波传播引起的压力级。他们接着对变压器油及周围环境中的声级进行了模拟。最终他们成功模拟了线圈绕组的机械位移和油箱壁上的表面压力。

仿真结果显示了变压器磁芯周围的声压级。
图像显示了油箱壁的位移及周围的声压级。

左图:变压器磁芯周围的声压级。右图:油箱周围的声压级及油箱壁位移。

一旦工程师完成了多物理场建模,他们就可以通过调整磁芯及线圈绕组的设置、组件的几何形状,以及材料属性等要素来优化变压器的设计。

将计算分析能力推广到公司其他部门

在完成对变压器系统中相互关联的物理场进行的分析之后,Kavasoglu、Daneryd 和Haettel 在他们最终模型的基础上,借助 COMSOL® 软件中的 App 开发器创建了多个计算仿真 App。通过这些 App 的使用,他们将模型的分析功能分享给了 ABB 公司其他的业务部门及工程师。借助这些仿真 App,其他工作人员可以在无需理解原始模型的情况下,对不同的变压器设计进行模拟,这大大简化了测试及验证过程。

屏幕截图展示了由 ABB CRC 团队开发的用于分析变压器设计的仿真 App。
ABB CRC 团队创建的仿真 App。

创建人人可用的仿真及针对特殊需求的仿真 App,可以让不同的团队和部门更容易地进行研发工作。ABB CRC 团队开发了一个用于计算载荷噪声的仿真 App,借助它销售人员和设计工程师可以在未深入了解模型的情况下进行虚拟测试,这省去了繁琐的计算过程。借助这些仿真 App,ABB 公司将能研发出功能强大的低噪音变压器。

阅读更多关于借助多物理场仿真设计变压器的信息


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评论

  1. 舒艺 吕 2017-12-18   1:31 pm

    现在正在学习COLSOL里面变压器的仿真,E铁芯变压器的案例做了3遍之后想要做进一步的磁致伸缩和直流偏磁的仿真苦于没有案例学习,请问博主大大有学习资料可以分享吗?

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