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电抗器铁芯振动噪声分析研究
作者：威博特铁芯 发布时间：2019-03-30 15:05:42 浏览次数： 迄今为止，振动噪声控制仍是铁芯电抗器的2个世界性问题之一，虽然已有一些成熟的理论和技术改进措施，但从数值模拟角度完整实现其振动噪声描述，从而达到减振降噪目的的研究还很少，正是基于此，以某电器公司生产的干式串联铁芯电抗器（以下简称为电抗器）为研究对象，用多物理场有限元方法对电抗器的铁芯进行振动噪声分析。
铁芯振动噪声分析
分析模型
采用 ANSYS APDL 参数化设计语言对电抗器铁芯及周围磁场进行建模。其中，铁芯、气隙材料、线圈以及铁芯周围的空气采用 SOLID117 单元，铁芯、气隙和线圈材料采取扫掠方式进行六面体单元划分，铁轭和空气采取自由网格进行单元划分。电抗器铁芯有限元模型和铁芯磁场有限元模型分别，如图 1 所示。
研究表明：以结构噪声为主的设备，结构表面声压和结构表面振动速度成正比。表面振动法正是利用这个正比关系，建立结构表面振动速度与表面声压之间的关系。当电抗器处于稳定工作状态时，铁芯表面振动速度和辐射的声功率可认为有如下关系
式中：W—声功率；ρ0 c0 —空气特性阻抗；S —噪声辐射表面积；u-2—振动表面的均方振速；σ—声辐射效率。可见铁芯表面的振速反映了其辐射声功率的大小。
1、铁芯振动速度有限元分析
铁芯瞬态响应分析采用图 1 的有限元模型，载荷为电磁力，底部采用条形基础进行约束，响应分析时间 0.1s，步长 0.001s，通过有限元分析得到各点的速度曲线，图 1 中 1 至 5 点的速度曲线，如图 2 所示。
1、铁芯振动速度有限元分析
铁芯瞬态响应分析采用图 1 的有限元模型，载荷为电磁力，底部采用条形基础进行约束，响应分析时间 0.1s，步长 0.001s，通过有限元分析得到各点的速度曲线，图 1 中 1 至 5 点的速度曲线，如图 2 所示。
2、铁芯噪声辐射有限元分析
声压是大气压受到扰动后产生的变化，声压的测量比较容易实现，它随时间变化，实测声压是它的有效值，表示声压大小的指标称为声压级。由于声压级随距离和环境的改变而改变，所以为了准确表示某机器的噪声源特性，常常选用噪声源声功率级这一恒量来表示。同时由于声功率级和声压级之间有特定的函数关系，若想通过声功率级来评价铁芯的噪声大小，需先建立结构—声场耦合有限元模型，模型半径取 3m，中间声场采用 FLUID30单元，铁芯结构—声场耦合模型，如图 3 所示。
声压是大气压受到扰动后产生的变化，声压的测量比较容易实现，它随时间变化，实测声压是它的有效值，表示声压大小的指标称为声压级。由于声压级随距离和环境的改变而改变，所以为了准确表示某机器的噪声源特性，常常选用噪声源声功率级这一恒量来表示。同时由于声功率级和声压级之间有特定的函数关系，若想通过声功率级来评价铁芯的噪声大小，需先建立结构—声场耦合有限元模型，模型半径取 3m，中间声场采用 FLUID30单元，铁芯结构—声场耦合模型，如图 3 所示。
变压器铁芯振动的噪声频谱中除了基频噪声之外，还包含有其频率为基频整数倍的高频噪声，研究表明，铁芯电抗器的噪声频谱中主要是低频分量。对于 50Hz 电源而言，只考虑 100Hz 的基频噪声和 200Hz、300Hz、400Hz 的高频噪声就可以了。取半球面顶部一点进行时域响应分析，得到声压时域曲线，如图 4（a）所示。对其进行快速傅立叶变换，得到频域曲线，如图 4（b）所示。
由频域曲线知，铁芯噪声在 100Hz 及其倍频上均有峰值出现，且 100Hz 的噪声分量占很大比重，噪声的能量主要集中在100Hz 及其倍频上，虽然这几个频率点相对稀疏，但基本上能反映铁芯在电磁力激励下的噪声情况。
在噪声实际测量中，一般不只在一个点处测量声压级，而是在一个假想的包围声源的测量表面上选取若干个点测量声压级，然后用这些点的平均声压级来计算声功率级。前面已经提过声压级和声功率级之间是有一个函数关系的，通过声压级得到的声功率级虽然在声音响度的变化上符合人耳的听觉特性，但仍然是对声音能量的客观描述，在实际测量中，声级值是对以上客观声级通过计权后得到的。多年实践证明，用 A 声级来评价噪声大小，与人们的感觉基本一致，目前国内外都使用 A 声级或等效 A声级来评价噪声。测量平面选择半球面，取半球面上均匀对称分布的 11 个点测得声压级，由公式（2）得到平均声压级，再由公式（6）得到声功率级，对其进行 A 计权，得到 A 计权声压级和 A 计权声功率级。平均声压级 Lp-可按下式计算：
在噪声实际测量中，一般不只在一个点处测量声压级，而是在一个假想的包围声源的测量表面上选取若干个点测量声压级，然后用这些点的平均声压级来计算声功率级。前面已经提过声压级和声功率级之间是有一个函数关系的，通过声压级得到的声功率级虽然在声音响度的变化上符合人耳的听觉特性，但仍然是对声音能量的客观描述，在实际测量中，声级值是对以上客观声级通过计权后得到的。多年实践证明，用 A 声级来评价噪声大小，与人们的感觉基本一致，目前国内外都使用 A 声级或等效 A声级来评价噪声。测量平面选择半球面，取半球面上均匀对称分布的 11 个点测得声压级，由公式（2）得到平均声压级，再由公式（6）得到声功率级，对其进行 A 计权，得到 A 计权声压级和 A 计权声功率级。平均声压级 Lp-可按下式计算：
式中：n—测点数。
参考以上声压级的测量方法[6][7]，可以提取半球面上若干点的声压幅值的实部和虚部值，根据公式
，求出声压的幅值 PA，这里我们通过傅立叶变换可以直接得到 PA，再根据公式
，求出声压的有效值 Pe，再对这些点的声压有效值作平均，求出它们的平均有效声压值 Pe。
参考以上声压级的测量方法[6][7]，可以提取半球面上若干点的声压幅值的实部和虚部值，根据公式
，求出声压的幅值 PA，这里我们通过傅立叶变换可以直接得到 PA，再根据公式，求出声压的有效值 Pe，再对这些点的声压有效值作平均，求出它们的平均有效声压值 Pe。
式中：S—所提取的半球面的面积；Pe—所提取的半球面上若干测点的平均有效声压值。
再根据声功率级的定义公式：
再根据声功率级的定义公式：
式中：W0 =10-12w，就可以把声功率转化为相应的声功率级。
铁芯问题延伸
- >> 干式铁芯电抗器八大优点
- >> 饱和铁芯电抗器的特点及其应用
- >> 铁芯材料、气隙和磁通密度对铁芯电抗器的影响
- >> 铁芯电抗器与空芯电抗器的区别
- >> 铁芯电抗器的分类及电抗器的用途
- >> 电抗器铁芯控制噪声的措施