(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210959420.7 (22)申请日 2022.08.10 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 张凡　刘华栋　汲胜昌　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 覃婧婵 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/10(2020.01) (54)发明名称 变压器振动噪声的多尺度仿真 建模方法 (57)摘要 公开了变压器振动噪声的多尺度仿真建模 方法， 方法中， 采集变压器参数建立绕组的二维 轴对称模型以及铁芯和油箱的三维有限元模型， 二维轴对称模型以及三维有 限元模型经由共享 边界构建包含铁芯和绕组的振动耦合模型， 提取 二维轴对称模 型的声压轮廓面上的声压， 经过坐 标变换后， 二维轴对称模型的声压轮廓面上的声 压映射至三维模 型中的声压轮廓面上的声压， 基 于三维模型中的声压轮廓面上的声压仿真计算 铁芯磁致伸缩 得到磁致伸缩的时域计算结果， 对 磁致伸缩的时域计算结果进行快速傅里叶变换， 获得不同频率的铁芯形变位移分布， 对二维轴对 称模型以及三维有限元模型频率响应 分析， 计算 获得铁芯振动传递至绕组引起的绕组振动及油 中声压分布。 权利要求书1页 说明书7页 附图15页 CN 115455580 A 2022.12.09 CN 115455580 A 1.一种变压器振动噪声的多尺度仿真 建模方法， 其特 征在于， 其包括以下步骤： 采集变压器参数建立绕组的二维轴 对称模型以及铁芯和油箱的三维有限元模型， 二维 轴对称模型以及三维有限元模型经由共享边界构建包含铁芯和绕组的振动耦合模型， 其 中， 绕组的二 维轴对称模型包括铁 芯、 高压绕组线饼、 低压绕组线饼、 调压绕组线饼、 垫块以 及绕组外侧的声压轮廓面， 铁芯和油 箱的三维有限元模型包括铁芯轮廓面、 夹件轮廓面和 声压轮廓面， 所述变压器参数包括铁芯、 绕组和油箱的几何参数以及声压数据； 提取二维轴对称模型的高压绕组线饼、 低压绕组线饼、 调压绕组线饼的上端部平均轴 向位移和下端部平均轴向位移作为三 维有限元模型的共享边界条件， 提取二 维轴对称模型 的声压轮廓面上 的声压， 经过坐标变换后， 二维轴对称模型 的声压轮廓面上 的声压映射至 三维模型中的声压轮廓面上的声压； 基于三维模型中的声压轮廓面上的声压仿真计算铁芯磁致伸缩得到磁致伸缩的时域 计算结果， 磁致伸缩的控制方程 为： 其中， εme为自由应变， λs为饱和磁致伸缩系数， M为磁化强度向量， dev为张量算子， 对磁 致伸缩的时域计算结果进行 快速傅里叶变换， 获得不同频率的铁芯形变位移分布； 基于铁芯形变位移分布提取铁芯形变位移100Hz倍频分量且施加到三维模型的铁芯 上， 对二维轴对称模型以及三维有限元模型频率响应分析， 计算获得铁芯振动传递至绕组 引起的绕组振动及油中声压分布。 2.根据权利要求1所述的一种变压器振动噪声的多尺度仿真建模方法， 其特征在于， 优 选的， 振动耦合模型中， 铁芯和绕组之间的机 械连接为两个弹簧的并联。 3.根据权利要求1所述的一种变压器振动噪声的多尺度仿真建模方法， 其特征在于， 上 端部平均轴向位移或下端部平均轴向位移为 其中， Li为绕组的幅向宽度， w为绕组边界上一 点的位移。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115455580 A 2变压器振动噪声的多尺度仿真建模方 法 技术领域 [0001]本发明涉及变压器技术领域， 尤其涉及一种变压器振动噪声的多尺度仿真建模方 法。 背景技术 [0002]电力变压器是电网中实现电能输送及分配的枢纽设备， 广泛分布于能源富集区及 人口密集地。 随着输电电压等级的提高、 输送功率的增大， 特别是大量谐波的涌入， 使得变 压器相应地承担谐波产生的驱动力， 从而形成频率含量丰富的振动和噪声。 现场测试结果 表明， 谐波电流可让变压器振动加速度超过10m/s2、 声功率增大1 ‑24dB、 总体声功率级超过 100dB(A)， 使得变电站厂界噪声难以满足GB12 348‑2008中规定的I、 II类区域的昼夜间声压 级要求。 另一方面， 变压器内部结构在长期剧烈振动的影响下会产生松动、 磨损、 疲劳等机 械缺陷， 影响运行可靠性。 因此， 无论是从满足环保要求的角度， 还是从提高设备设计水平 和运行安全性的角度， 深入了解变压器的振动特性及噪声分布对于设计低噪声变压器， 提 高变压器的服役 特性具有重要的意 义。 [0003]现有技术中， 通常采用基于统计学的经验公式根据变压器的容量， 铁芯工作磁通 密度及尺寸确定变压器的辐射声压级， 或者采用 有限元模型仿真计算变压器的空负载噪 声。 利用有限元方法时， 研究人员大多将 绕组直接简化为如图1所示的圆筒模型， 研究其模 态特性及振动响应。 但 圆筒模型极大地增加了绕组的整体刚度， 且铁芯振动传递至绕组线 饼， 引起线饼振动并向外辐射声压， 而圆筒绕组与饼式绕组的实际结构不符， 固有 频率高于 真实的绕组、 辐射表面积小于真实绕组， 因而不具有代 表性。 [0004]绕组的轴向结构由绝缘材料和线圈层叠组成， “软材料”与“硬线圈”组成的轴向结 构使得绕组轴向模态频率较低， 易与电磁力的激励频率接近而共振。 自上世纪60年代开始， 绕组轴向振动的质量 ‑弹簧‑阻尼模型被广泛采用。 在该模 型中， 绕组线饼被视为刚体， 线饼 各处具有相同的振动加速度， 线饼间的垫块被视为并联的弹簧和阻尼 。 采用二维有限元模 型可以模拟上述绕组的动力学特性， 结合磁场仿真计算各线饼的振动响应及油中声压分 布。 [0005]在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解， 因此可能 包含不构成本领域普通 技术人员公知的现有技 术的信息 。 发明内容 [0006]本发明的目的是提供一种变压器振动噪声的多尺度 仿真建模方法， 实现对变压器 振动噪声的精确分析。 [0007]为了实现上述目的， 本发明提供如下技 术方案： [0008]本发明的一种变压器振动噪声的多尺度仿真 建模方法包括： [0009]采集变压器参数建立绕组的二维轴对称模型以及铁芯和油箱的三维有限元模型， 二维轴对称模型以及三 维有限元模型经由共享边界构建包含铁 芯和绕组的振动耦合模型，说　明　书 1/7 页 3 CN 115455580 A 3