不論是燒飯做菜還是給手機(jī)充電，我們每天的生活都離不開由電網(wǎng)為住宅、公司及學(xué)校等各類建筑提供的能源。這個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)電站、長距離電力傳輸高壓線、為每戶家庭及社區(qū)供電的配電線路，以及用于過電保護(hù)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路中電壓等級的電力變壓器（見圖1）。電壓越高，功率傳輸時的損耗越低，所以高電壓更適合長距離功率輸送。但這種高壓等級會給輸電線的兩端帶來潛在的安全威脅，因此需要通過變壓器來增加電源饋入點的電壓，降低街區(qū)及建筑物周圍的電壓。
然而，變壓器會發(fā)出噪聲，人們在它附近會聽到微弱的嗡鳴聲。根據(jù)相關(guān)法規(guī)，設(shè)備的噪聲級必須維持在安全范圍內(nèi)。雖然我們無法制造出完全靜音的設(shè)備，但可以通過優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計來盡量降低這類噪聲的影響。
總部位于瑞士蘇黎世的ABB集團(tuán)是全球最大的變壓器制造商之一，公司正通過數(shù)值分析和計算App來預(yù)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開發(fā)器來運(yùn)行虛擬設(shè)計檢查、測試各種配置，并通過基于模型開發(fā)的定制用戶界面來部署仿真結(jié)果。
降低來自多個源頭的噪聲
變壓器的噪聲通常有多個源頭，例如變壓器鐵芯或冷卻系統(tǒng)內(nèi)輔助風(fēng)扇和泵的振動。為了更好地降低噪聲，每個噪聲源都需要進(jìn)行不同方式的單獨(dú)處理。
ABB變壓器中包括一個金屬鐵芯、纏繞于金屬鐵芯各段的線圈繞組、用于保護(hù)這些元件的外殼或箱子，以及外殼內(nèi)的絕緣油（見圖2上）。當(dāng)交流電通過其中一個線圈繞組時，會產(chǎn)生磁通量，并在相鄰線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。電壓的調(diào)節(jié)可以通過改變線圈匝數(shù)實現(xiàn)。
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造成機(jī)械應(yīng)變，金屬的快速膨脹與收縮產(chǎn)生振動。當(dāng)這些振動通過絕緣油和用于固定內(nèi)部鐵芯的裝夾點傳遞到外殼壁處時，會發(fā)出一種能被人耳捕捉到的嗡嗡聲，即鐵芯噪聲（見圖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(zhuǎn)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(zhuǎn)換鏈；Power Supply–功率輸入；Electromagnetic System–電磁系統(tǒng)；Magnetostrictive & Lorentz Force–磁致伸縮與洛倫茲力；Mechanical System–機(jī)械系統(tǒng)；Displacement–位移；Acoustic Noise–噪聲；Power Transformer–電力變壓器
除鐵芯噪聲外，線圈中的交流電還會在各個繞組內(nèi)產(chǎn)生洛侖茲力，造成振動，即載荷噪聲，并以機(jī)械能的形式傳遞到外殼。
由于存在多個噪聲源，同時還涉及相互關(guān)聯(lián)的電磁、聲學(xué)和力學(xué)等因素，瑞典威斯特勞斯市(V?ster?s，Sweden)的ABB集團(tuán)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(nèi)部工作原理，才能優(yōu)化變壓器的設(shè)計，將鳴擾降至最低。
聲學(xué)、力學(xué)和電磁效應(yīng)的全耦合
“我們選擇使用COMSOL Multiphysics進(jìn)行研究，是因為它能夠?qū)⒍鄠€物理場輕松地耦合在一起?！盇BB集團(tuán)研發(fā)中心的科學(xué)家Mustafa Kavasoglu說，“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)境下求解這三個物理場，所以它是我們的最佳選擇。”
由ABB集團(tuán)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(tuán)隊正在研究變壓器聲學(xué)。他們的目標(biāo)是通過開發(fā)一系列的仿真與計算App來計算變壓器鐵芯和繞組（參見圖3左）中產(chǎn)生的磁通量、繞組中的洛倫茲力（見圖3右）、磁致伸縮應(yīng)變引起的機(jī)械位移，以及聲波傳播通過外殼時產(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。為了滿足業(yè)務(wù)需求與相關(guān)要求，項目時常需要借助知名電力變壓器專家Christoph Ploetner博士的經(jīng)驗與專長。
在其中一個仿真項目中，他們模擬了鐵芯在磁致伸縮影響下發(fā)出的噪聲。團(tuán)隊首先通過電磁模型預(yù)測了由交流電感應(yīng)出的磁場，然后分析了鋼中的磁致伸縮應(yīng)變。
他們的幾何設(shè)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(yīng)變結(jié)果得到了位移，然后通過模態(tài)分析計算了不同頻率下的諧振。”Kavasoglu說（見圖4），“磁致伸縮應(yīng)變很容易激勵出諧振，并會放大這些頻率下的振動?！?
由此，他們將能夠預(yù)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，以此計算傳到周圍環(huán)境中的聲輻射
他們還模擬了造成載荷噪聲的線圈繞組的位移，并確定了由此產(chǎn)生的聲場在外殼壁造成的表面壓力
他們還通過參數(shù)化研究分析了設(shè)計參數(shù)（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(fù)雜關(guān)系，據(jù)此調(diào)整了幾何、鐵芯、繞組和外殼的設(shè)定，希望能盡量降低噪聲。
在全公司推廣仿真
集團(tuán)研發(fā)中心的研究團(tuán)隊持續(xù)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(tuán)的其他設(shè)計人員以及整個業(yè)務(wù)部門。他們利用COMSOL Multiphysics中的App開發(fā)器將多物理場模型轉(zhuǎn)化為App，并根據(jù)各部門的需求輕松地進(jìn)行定制。
這些仿真App簡化了設(shè)計人員和研發(fā)工程師的測試與驗證工作?！耙恢币詠?，設(shè)計師們使用的設(shè)計工具都是基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和驗證模型。我們通過部署仿真App彌補(bǔ)了這一不足。借助我們在App開發(fā)器中制作的用戶界面，他們無需學(xué)習(xí)有限元理論也能獨(dú)立運(yùn)行有限元分析?！盚aettel解釋說。
圖7中的App用于計算變壓器鐵芯的特征頻率，如果在可聽閾內(nèi)則意味著會造成噪聲問題。App中包括在COMSOL®軟件中開發(fā)的物理場模型，以及在App 開發(fā)器中由Java®代碼定制開發(fā)的方法。
“我們的設(shè)計人員可以通過標(biāo)準(zhǔn)電子表單處理日常開發(fā)工作。但是在引入新設(shè)計或其他幾何尺寸時，這一方法就會遇到問題，例如錯誤的輸出結(jié)果表明噪聲級數(shù)據(jù)還不夠準(zhǔn)確。如果還需要結(jié)合其他方法來降低變壓器的整體噪聲，那成本將變得很高?！盚aettel繼續(xù)說。
“除了成本因素，還有時間方面的考慮。新的App工具集成了有限元代碼的精度優(yōu)勢，從而使設(shè)計人員的工作更加簡單高效?！?
用戶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(shè)計參數(shù)組合造成的變壓器鳴擾?！拔覀兩髦氐剡x出了允許用戶訪問的參數(shù)，主要是一些最重要的參數(shù)。”Kavasoglu補(bǔ)充道。
鑒于ABB需要為多個工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計變壓器，這種靈活性將給他們的設(shè)計與虛擬測試帶來極大的便利?！癆BB需要針對各行業(yè)的需求生產(chǎn)變壓器。我們當(dāng)前主要研究了電力公司中常用的、負(fù)責(zé)為整個城市輸送和分配電力的大型交流電力變壓器。”他解釋說。
“不過，我們的工作可以適用于任何類型的變壓器中，而且我們還可以根據(jù)收到的請求來修改App，滿足他們的具體需求。這也使我們能夠輕松地進(jìn)行其他研發(fā)工作。App開發(fā)器簡化了知識與技能的傳遞?！?
“我們還通過COMSOL Server? 許可證將用于測試的App分發(fā)給其他辦公室，輕松實現(xiàn)共享。這種全球許可證非常實用；作為一家全球化公司，我們希望位于世界各地的用戶都能從這些App中獲益?！狈抡鎸＜铱梢酝ㄟ^在本地安裝的COMSOL Server管理并部署他們的App，用戶則能通過客戶端或網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行訪問。
該團(tuán)隊目前正努力開發(fā)另一個用來計算載荷噪聲的App。在業(yè)務(wù)部門中，該App將進(jìn)一步簡化繁瑣的計算工作；與此同時，設(shè)計人員和銷售工程師無需設(shè)置底層的精細(xì)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。
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