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電抗器鐵芯振動(dòng)噪聲分析研究
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 15:05:42 瀏覽次數(shù)： 迄今為止，振動(dòng)噪聲控制仍是鐵芯電抗器的2個(gè)世界性問題之一，雖然已有一些成熟的理論和技術(shù)改進(jìn)措施，但從數(shù)值模擬角度完整實(shí)現(xiàn)其振動(dòng)噪聲描述，從而達(dá)到減振降噪目的的研究還很少，正是基于此，以某電器公司生產(chǎn)的干式串聯(lián)鐵芯電抗器（以下簡稱為電抗器）為研究對象，用多物理場有限元方法對電抗器的鐵芯進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析。
鐵芯振動(dòng)噪聲分析
分析模型
采用 ANSYS APDL 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言對電抗器鐵芯及周圍磁場進(jìn)行建模。其中，鐵芯、氣隙材料、線圈以及鐵芯周圍的空氣采用 SOLID117 單元，鐵芯、氣隙和線圈材料采取掃掠方式進(jìn)行六面體單元?jiǎng)澐?，鐵軛和空氣采取自由網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。電抗器鐵芯有限元模型和鐵芯磁場有限元模型分別，如圖 1 所示。
研究表明：以結(jié)構(gòu)噪聲為主的設(shè)備，結(jié)構(gòu)表面聲壓和結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度成正比。表面振動(dòng)法正是利用這個(gè)正比關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度與表面聲壓之間的關(guān)系。當(dāng)電抗器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，鐵芯表面振動(dòng)速度和輻射的聲功率可認(rèn)為有如下關(guān)系
式中：W—聲功率；ρ0 c0 —空氣特性阻抗；S —噪聲輻射表面積；u-2—振動(dòng)表面的均方振速；σ—聲輻射效率?？梢婅F芯表面的振速反映了其輻射聲功率的大小。
1、鐵芯振動(dòng)速度有限元分析
鐵芯瞬態(tài)響應(yīng)分析采用圖 1 的有限元模型，載荷為電磁力，底部采用條形基礎(chǔ)進(jìn)行約束，響應(yīng)分析時(shí)間 0.1s，步長 0.001s，通過有限元分析得到各點(diǎn)的速度曲線，圖 1 中 1 至 5 點(diǎn)的速度曲線，如圖 2 所示。
1、鐵芯振動(dòng)速度有限元分析
鐵芯瞬態(tài)響應(yīng)分析采用圖 1 的有限元模型，載荷為電磁力，底部采用條形基礎(chǔ)進(jìn)行約束，響應(yīng)分析時(shí)間 0.1s，步長 0.001s，通過有限元分析得到各點(diǎn)的速度曲線，圖 1 中 1 至 5 點(diǎn)的速度曲線，如圖 2 所示。
2、鐵芯噪聲輻射有限元分析
聲壓是大氣壓受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，聲壓的測量比較容易實(shí)現(xiàn)，它隨時(shí)間變化，實(shí)測聲壓是它的有效值，表示聲壓大小的指標(biāo)稱為聲壓級。由于聲壓級隨距離和環(huán)境的改變而改變，所以為了準(zhǔn)確表示某機(jī)器的噪聲源特性，常常選用噪聲源聲功率級這一恒量來表示。同時(shí)由于聲功率級和聲壓級之間有特定的函數(shù)關(guān)系，若想通過聲功率級來評價(jià)鐵芯的噪聲大小，需先建立結(jié)構(gòu)—聲場耦合有限元模型，模型半徑取 3m，中間聲場采用 FLUID30單元，鐵芯結(jié)構(gòu)—聲場耦合模型，如圖 3 所示。
聲壓是大氣壓受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，聲壓的測量比較容易實(shí)現(xiàn)，它隨時(shí)間變化，實(shí)測聲壓是它的有效值，表示聲壓大小的指標(biāo)稱為聲壓級。由于聲壓級隨距離和環(huán)境的改變而改變，所以為了準(zhǔn)確表示某機(jī)器的噪聲源特性，常常選用噪聲源聲功率級這一恒量來表示。同時(shí)由于聲功率級和聲壓級之間有特定的函數(shù)關(guān)系，若想通過聲功率級來評價(jià)鐵芯的噪聲大小，需先建立結(jié)構(gòu)—聲場耦合有限元模型，模型半徑取 3m，中間聲場采用 FLUID30單元，鐵芯結(jié)構(gòu)—聲場耦合模型，如圖 3 所示。
變壓器鐵芯振動(dòng)的噪聲頻譜中除了基頻噪聲之外，還包含有其頻率為基頻整數(shù)倍的高頻噪聲，研究表明，鐵芯電抗器的噪聲頻譜中主要是低頻分量。對于 50Hz 電源而言，只考慮 100Hz 的基頻噪聲和 200Hz、300Hz、400Hz 的高頻噪聲就可以了。取半球面頂部一點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析，得到聲壓時(shí)域曲線，如圖 4（a）所示。對其進(jìn)行快速傅立葉變換，得到頻域曲線，如圖 4（b）所示。
由頻域曲線知，鐵芯噪聲在 100Hz 及其倍頻上均有峰值出現(xiàn)，且 100Hz 的噪聲分量占很大比重，噪聲的能量主要集中在100Hz 及其倍頻上，雖然這幾個(gè)頻率點(diǎn)相對稀疏，但基本上能反映鐵芯在電磁力激勵(lì)下的噪聲情況。
在噪聲實(shí)際測量中，一般不只在一個(gè)點(diǎn)處測量聲壓級，而是在一個(gè)假想的包圍聲源的測量表面上選取若干個(gè)點(diǎn)測量聲壓級，然后用這些點(diǎn)的平均聲壓級來計(jì)算聲功率級。前面已經(jīng)提過聲壓級和聲功率級之間是有一個(gè)函數(shù)關(guān)系的，通過聲壓級得到的聲功率級雖然在聲音響度的變化上符合人耳的聽覺特性，但仍然是對聲音能量的客觀描述，在實(shí)際測量中，聲級值是對以上客觀聲級通過計(jì)權(quán)后得到的。多年實(shí)踐證明，用 A 聲級來評價(jià)噪聲大小，與人們的感覺基本一致，目前國內(nèi)外都使用 A 聲級或等效 A聲級來評價(jià)噪聲。測量平面選擇半球面，取半球面上均勻?qū)ΨQ分布的 11 個(gè)點(diǎn)測得聲壓級，由公式（2）得到平均聲壓級，再由公式（6）得到聲功率級，對其進(jìn)行 A 計(jì)權(quán)，得到 A 計(jì)權(quán)聲壓級和 A 計(jì)權(quán)聲功率級。平均聲壓級 Lp-可按下式計(jì)算：
在噪聲實(shí)際測量中，一般不只在一個(gè)點(diǎn)處測量聲壓級，而是在一個(gè)假想的包圍聲源的測量表面上選取若干個(gè)點(diǎn)測量聲壓級，然后用這些點(diǎn)的平均聲壓級來計(jì)算聲功率級。前面已經(jīng)提過聲壓級和聲功率級之間是有一個(gè)函數(shù)關(guān)系的，通過聲壓級得到的聲功率級雖然在聲音響度的變化上符合人耳的聽覺特性，但仍然是對聲音能量的客觀描述，在實(shí)際測量中，聲級值是對以上客觀聲級通過計(jì)權(quán)后得到的。多年實(shí)踐證明，用 A 聲級來評價(jià)噪聲大小，與人們的感覺基本一致，目前國內(nèi)外都使用 A 聲級或等效 A聲級來評價(jià)噪聲。測量平面選擇半球面，取半球面上均勻?qū)ΨQ分布的 11 個(gè)點(diǎn)測得聲壓級，由公式（2）得到平均聲壓級，再由公式（6）得到聲功率級，對其進(jìn)行 A 計(jì)權(quán)，得到 A 計(jì)權(quán)聲壓級和 A 計(jì)權(quán)聲功率級。平均聲壓級 Lp-可按下式計(jì)算：
式中：n—測點(diǎn)數(shù)。
參考以上聲壓級的測量方法[6][7]，可以提取半球面上若干點(diǎn)的聲壓幅值的實(shí)部和虛部值，根據(jù)公式
，求出聲壓的幅值 PA，這里我們通過傅立葉變換可以直接得到 PA，再根據(jù)公式
，求出聲壓的有效值 Pe，再對這些點(diǎn)的聲壓有效值作平均，求出它們的平均有效聲壓值 Pe。
參考以上聲壓級的測量方法[6][7]，可以提取半球面上若干點(diǎn)的聲壓幅值的實(shí)部和虛部值，根據(jù)公式
，求出聲壓的幅值 PA，這里我們通過傅立葉變換可以直接得到 PA，再根據(jù)公式，求出聲壓的有效值 Pe，再對這些點(diǎn)的聲壓有效值作平均，求出它們的平均有效聲壓值 Pe。
式中：S—所提取的半球面的面積；Pe—所提取的半球面上若干測點(diǎn)的平均有效聲壓值。
再根據(jù)聲功率級的定義公式：
再根據(jù)聲功率級的定義公式：
式中：W0 =10-12w，就可以把聲功率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的聲功率級。