不論是燒飯做菜還是給手機充電，我們每天的生活都離不開(kāi)由電網(wǎng)為住宅、公司及學(xué)校等各類(lèi)建筑提供的能源。這個(gè)復雜網(wǎng)絡(luò )包括發(fā)電站、長(cháng)距離電力傳輸高壓線(xiàn)、為每戶(hù)家庭及社區供電的配電線(xiàn)路，以及用于過(guò)電保護及控制相關(guān)的硬件。

這其中就包括用于增加及降低交流電輸電線(xiàn)路中電壓等級的電力變壓器（見(jiàn)圖 1）。電壓越高，功率傳輸時(shí)的損耗越低，所以高電壓更適合長(cháng)距離功率輸送。但這種高壓等級會(huì )給輸電線(xiàn)的兩端帶來(lái)潛在的安全威脅，因此需要通過(guò)變壓器來(lái)增加電源饋入點(diǎn)的電壓，降低街區及建筑物周?chē)�的電壓�?

然而，變壓器會(huì )發(fā)出噪聲，人們在它附近會(huì )聽(tīng)到微弱的嗡鳴聲。根據相關(guān)法規，設備的噪聲級必須維持在安全范圍內。雖然我們無(wú)法制造出完全靜音的設備，但可以通過(guò)優(yōu)秀的產(chǎn)品設計來(lái)盡量降低這類(lèi)噪聲的影響。

總部位于瑞士蘇黎世的 ABB 集團是全球最大的變壓器制造商之一，公司正通過(guò)數值分析和計算 App 來(lái)預測和最小化變壓器中的噪聲等級。他們借助 COMSOL Multiphysics® 仿真軟件和 App 開(kāi)發(fā)器來(lái)運行虛擬設計檢查、測試各種配置，并通過(guò)基于模型開(kāi)發(fā)的定制用戶(hù)界面來(lái)部署仿真結果。

降低來(lái)自多個(gè)源頭的噪聲

變壓器的噪聲通常有多個(gè)源頭，例如變壓器鐵芯或冷卻系統內輔助風(fēng)扇和泵的振動(dòng)。為了更好地降低噪聲，每個(gè)噪聲源都需要進(jìn)行不同方式的單獨處理。

ABB 變壓器中包括一個(gè)金屬鐵芯、纏繞于金屬鐵芯各段的線(xiàn)圈繞組、用于保護這些元件的外殼或箱子，以及外殼內的絕緣油（見(jiàn)圖 2 上）。當交流電通過(guò)其中一個(gè)線(xiàn)圈繞組時(shí)，會(huì )產(chǎn)生磁通量，并在相鄰線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電流。電壓的調節可以通過(guò)改變線(xiàn)圈匝數實(shí)現。

制造鐵芯的鋼是一種磁致伸縮材料，這些方向交變的磁通量會(huì )造成機械應變，金屬的快速膨脹與收縮產(chǎn)生振動(dòng)。當這些振動(dòng)通過(guò)絕緣油和用于固定內部鐵芯的裝夾點(diǎn)傳遞到外殼壁處時(shí)，會(huì )發(fā)出一種能被人耳捕捉到的嗡嗡聲，即鐵芯噪聲（見(jiàn)圖 2 下）。

圖 2. 左上：三相變壓器中器身裝配的 CAD 模型，繞組環(huán)繞鐵心安裝。右上：在裝有絕緣油的外殼中安裝電力變壓器的器身裝配。下：發(fā)出鐵芯噪聲及載荷噪聲的能量轉換鏈（鐵芯的磁致伸縮和繞組中的洛倫茲力）。圖注：Energy Conversion Chain–能量轉換鏈；Power Supply–功率輸入；Electromagnetic System–電磁系統；Magnetostrictive & Lorentz Force–磁致伸縮與洛倫茲力；Mechanical System–機械系統；Displacement–位移；Acoustic Noise–噪聲；Power Transformer–電力變壓器

除鐵芯噪聲外，線(xiàn)圈中的交流電還會(huì )在各個(gè)繞組內產(chǎn)生洛侖茲力，造成振動(dòng)，即載荷噪聲，并以機械能的形式傳遞到外殼。

由于存在多個(gè)噪聲源，同時(shí)還涉及相互關(guān)聯(lián)的電磁、聲學(xué)和力學(xué)等因素，瑞典威斯特勞斯市 (Västerås，Sweden) 的 ABB 集團研發(fā)中心 (ABB Corporate Research Center, ABB CRC) 的工程師們只有充分理解了變壓器的內部工作原理，才能優(yōu)化變壓器的設計，將鳴擾降至最低。

聲學(xué)、力學(xué)和電磁效應的全耦合

“我們選擇使用 COMSOL Multiphysics 進(jìn)行研究，是因為它能夠將多個(gè)物理場(chǎng)輕松地耦合在一起�！�ABB 集團研發(fā)中心的科學(xué)家 Mustafa Kavasoglu 說(shuō)，“因為項目需要模擬電磁學(xué)、聲學(xué)和力學(xué)，而 COMSOL® 支持在單一環(huán)境下求解這三個(gè)物理場(chǎng)，所以它是我們的最佳選擇�！�

由 ABB 集團研發(fā)中心的 Kavasoglu、首席科學(xué)家 Anders Daneryd 博士和首席工程師 Romain Haettel 博士組成的團隊正在研究變壓器聲學(xué)。他們的目標是通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列的仿真與計算 App 來(lái)計算變壓器鐵芯和繞組（參見(jiàn)圖 3 左）中產(chǎn)生的磁通量、繞組中的洛倫茲力（見(jiàn)圖 3 右）、磁致伸縮應變引起的機械位移，以及聲波傳播通過(guò)外殼時(shí)產(chǎn)生的聲壓級。

他們與 ABB 變壓器業(yè)務(wù)部進(jìn)行了密切合作。為了滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求與相關(guān)要求，項目時(shí)常需要借助知名電力變壓器專(zhuān)家 Christoph Ploetner 博士的經(jīng)驗與專(zhuān)長(cháng)。

在其中一個(gè)仿真項目中，他們模擬了鐵芯在磁致伸縮影響下發(fā)出的噪聲。團隊首先通過(guò)電磁模型預測了由交流電感應出的磁場(chǎng)，然后分析了鋼中的磁致伸縮應變。

他們的幾何設定中包括鋼制鐵芯、繞組以及用于表征外殼的外部域�！拔覀儚拇胖律炜s的應變結果得到了位移，然后通過(guò)模態(tài)分析計算了不同頻率下的諧振�！�Kavasoglu 說(shuō)（見(jiàn)圖 4），“磁致伸縮應變很容易激勵出諧振，并會(huì )放大這些頻率下的振動(dòng)�！�

由此，他們將能夠預測聲音在絕緣油中的傳波，并計算它在外殼中引發(fā)的振動(dòng)，以此計算傳到周?chē)�環(huán)境中的聲輻射

他們還模擬了造成載荷噪聲的線(xiàn)圈繞組的位移，并確定了由此產(chǎn)生的聲場(chǎng)在外殼壁造成的表面壓力

他們還通過(guò)參數化研究分析了設計參數（比如外殼厚度和材料屬性）與產(chǎn)生的變壓器鳴擾之間的復雜關(guān)系，據此調整了幾何、鐵芯、繞組和外殼的設定，希望能盡量降低噪聲。

在全公司推廣仿真

集團研發(fā)中心的研究團隊持續使用 COMSOL 軟件加深他們的理解，并改進(jìn)模型，還希望將自己的知識帶給 ABB 集團的其他設計人員以及整個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)。他們利用 COMSOL Multiphysics 中的 App 開(kāi)發(fā)器將多物理場(chǎng)模型轉化為 App，并根據各部門(mén)的需求輕松地進(jìn)行定制。

這些仿真 App 簡(jiǎn)化了設計人員和研發(fā)工程師的測試與驗證工作�！耙恢币詠�(lái)，設計師們使用的設計工具都是基于統計數據和驗證模型。我們通過(guò)部署仿真 App 彌補了這一不足。借助我們在 App 開(kāi)發(fā)器中制作的用戶(hù)界面，他們無(wú)需學(xué)習有限元理論也能獨立運行有限元分析�！�Haettel 解釋說(shuō)。

圖 7 中的 App 用于計算變壓器鐵芯的特征頻率，如果在可聽(tīng)閾內則意味著(zhù)會(huì )造成噪聲問(wèn)題。App 中包括在 COMSOL® 軟件中開(kāi)發(fā)的物理場(chǎng)模型，以及在 App  開(kāi)發(fā)器中由 Java® 代碼定制開(kāi)發(fā)的方法。

“我們的設計人員可以通過(guò)標準電子表單處理日常開(kāi)發(fā)工作。但是在引入新設計或其他幾何尺寸時(shí)，這一方法就會(huì )遇到問(wèn)題，例如錯誤的輸出結果表明噪聲級數據還不夠準確。如果還需要結合其他方法來(lái)降低變壓器的整體噪聲，那成本將變得很高�！�Haettel 繼續說(shuō)。

“除了成本因素，還有時(shí)間方面的考慮。新的 App 工具集成了有限元代碼的精度優(yōu)勢，從而使設計人員的工作更加簡(jiǎn)單高效�！�

用戶(hù)可以很方便地在定制 App 中查看由于特定幾何、材料屬性和其他設計參數組合造成的變壓器鳴擾�！拔覀兩髦氐剡x出了允許用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的參數，主要是一些最重要的參數�！�Kavasoglu 補充道。

鑒于 ABB 需要為多個(gè)工業(yè)應用領(lǐng)域設計變壓器，這種靈活性將給他們的設計與虛擬測試帶來(lái)極大的便利�！�ABB 需要針對各行業(yè)的需求生產(chǎn)變壓器。我們當前主要研究了電力公司中常用的、負責為整個(gè)城市輸送和分配電力的大型交流電力變壓器�！彼�解釋說(shuō)。

“不過(guò)，我們的工作可以適用于任何類(lèi)型的變壓器中，而且我們還可以根據收到的請求來(lái)修改 App，滿(mǎn)足他們的具體需求。這也使我們能夠輕松地進(jìn)行其他研發(fā)工作。App 開(kāi)發(fā)器簡(jiǎn)化了知識與技能的傳遞�！�

“我們還通過(guò) COMSOL Server™ 許可證將用于測試的 App 分發(fā)給其他辦公室，輕松實(shí)現共享。這種全球許可證非常實(shí)用；作為一家全球化公司，我們希望位于世界各地的用戶(hù)都能從這些 App 中獲益�！狈抡鎸�(zhuān)家可以通過(guò)在本地安裝的 COMSOL Server 管理并部署他們的 App，用戶(hù)則能通過(guò)客戶(hù)端或網(wǎng)絡(luò )瀏覽器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

該團隊目前正努力開(kāi)發(fā)另一個(gè)用來(lái)計算載荷噪聲的 App。在業(yè)務(wù)部門(mén)中，該 App 將進(jìn)一步簡(jiǎn)化繁瑣的計算工作；與此同時(shí)，設計人員和銷(xiāo)售工程師無(wú)需設置底層的精細模型就可以進(jìn)行虛擬測試。這使得 ABB 能更快、更輕松地制造出全世界最好的變壓器。

本文由上海雷郎變壓器提供，上海雷郎專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)：變壓器、隔離變壓器、三相變壓器、三相干式隔離變壓器，如有需要可以在線(xiàn)聯(lián)系我們哦！