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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(wèn)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(jiǎn)稱為電抗器）為研究對(duì)象，用多物理場(chǎng)有限元方法對(duì)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(yǔ)言對(duì)電抗器鐵芯及周圍磁場(chǎng)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(chǎng)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。可見(jiàn)鐵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(zhǎng) 0.001s，通過(guò)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(zhǎng) 0.001s，通過(guò)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(cè)量比較容易實(shí)現(xiàn)，它隨時(shí)間變化，實(shí)測(cè)聲壓是它的有效值，表示聲壓大小的指標(biāo)稱為聲壓級(jí)。由于聲壓級(jí)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(jí)這一恒量來(lái)表示。同時(shí)由于聲功率級(jí)和聲壓級(jí)之間有特定的函數(shù)關(guān)系，若想通過(guò)聲功率級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)鐵芯的噪聲大小，需先建立結(jié)構(gòu)—聲場(chǎng)耦合有限元模型，模型半徑取 3m，中間聲場(chǎng)采用 FLUID30單元，鐵芯結(jié)構(gòu)—聲場(chǎng)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(cè)量比較容易實(shí)現(xiàn)，它隨時(shí)間變化，實(shí)測(cè)聲壓是它的有效值，表示聲壓大小的指標(biāo)稱為聲壓級(jí)。由于聲壓級(jí)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(jí)這一恒量來(lái)表示。同時(shí)由于聲功率級(jí)和聲壓級(jí)之間有特定的函數(shù)關(guān)系，若想通過(guò)聲功率級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)鐵芯的噪聲大小，需先建立結(jié)構(gòu)—聲場(chǎng)耦合有限元模型，模型半徑取 3m，中間聲場(chǎng)采用 FLUID30單元，鐵芯結(jié)構(gòu)—聲場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量中，一般不只在一個(gè)點(diǎn)處測(cè)量聲壓級(jí)，而是在一個(gè)假想的包圍聲源的測(cè)量表面上選取若干個(gè)點(diǎn)測(cè)量聲壓級(jí)，然后用這些點(diǎn)的平均聲壓級(jí)來(lái)計(jì)算聲功率級(jí)。前面已經(jīng)提過(guò)聲壓級(jí)和聲功率級(jí)之間是有一個(gè)函數(shù)關(guān)系的，通過(guò)聲壓級(jí)得到的聲功率級(jí)雖然在聲音響度的變化上符合人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，但仍然是對(duì)聲音能量的客觀描述，在實(shí)際測(cè)量中，聲級(jí)值是對(duì)以上客觀聲級(jí)通過(guò)計(jì)權(quán)后得到的。多年實(shí)踐證明，用 A 聲級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲大小，與人們的感覺(jué)基本一致，目前國(guó)內(nèi)外都使用 A 聲級(jí)或等效 A聲級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲。測(cè)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(cè)得聲壓級(jí)，由公式（2）得到平均聲壓級(jí)，再由公式（6）得到聲功率級(jí)，對(duì)其進(jìn)行 A 計(jì)權(quán)，得到 A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和 A 計(jì)權(quán)聲功率級(jí)。平均聲壓級(jí) Lp-可按下式計(jì)算：
在噪聲實(shí)際測(cè)量中，一般不只在一個(gè)點(diǎn)處測(cè)量聲壓級(jí)，而是在一個(gè)假想的包圍聲源的測(cè)量表面上選取若干個(gè)點(diǎn)測(cè)量聲壓級(jí)，然后用這些點(diǎn)的平均聲壓級(jí)來(lái)計(jì)算聲功率級(jí)。前面已經(jīng)提過(guò)聲壓級(jí)和聲功率級(jí)之間是有一個(gè)函數(shù)關(guān)系的，通過(guò)聲壓級(jí)得到的聲功率級(jí)雖然在聲音響度的變化上符合人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，但仍然是對(duì)聲音能量的客觀描述，在實(shí)際測(cè)量中，聲級(jí)值是對(duì)以上客觀聲級(jí)通過(guò)計(jì)權(quán)后得到的。多年實(shí)踐證明，用 A 聲級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲大小，與人們的感覺(jué)基本一致，目前國(guó)內(nèi)外都使用 A 聲級(jí)或等效 A聲級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲。測(cè)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(cè)得聲壓級(jí)，由公式（2）得到平均聲壓級(jí)，再由公式（6）得到聲功率級(jí)，對(duì)其進(jìn)行 A 計(jì)權(quán)，得到 A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和 A 計(jì)權(quán)聲功率級(jí)。平均聲壓級(jí) Lp-可按下式計(jì)算：
式中：n—測(cè)點(diǎn)數(shù)。
參考以上聲壓級(jí)的測(cè)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(guò)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(duì)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(jí)的測(cè)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(guò)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(duì)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(cè)點(diǎn)的平均有效聲壓值。
再根據(jù)聲功率級(jí)的定義公式：
再根據(jù)聲功率級(jí)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(jí)。