本文是一篇电气自动化论文，本文以非晶合金变压器为研究对象，在电-磁-力-声多物理场耦合下对其振动特性进行了研究，并搭建的铁铁芯振动特性与噪声水平测试平台，对其振动特性与噪声的产生机理进行了验证，并对变压器噪声抑制措施展开了研究。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
“双碳”目标下，构建高效节能型电网，打造能源优化配置平台，保证电网的高效节能运行至关重要。变压器作为电力系统的核心设备，担任着电能传输和转换的重要作用。目前，通过采用高导磁取向硅钢片、晶粒取向硅钢片制作铁芯[1]，使得硅钢变压器在材料特性、电气和结构性能上得到了显著的提升，但其铁芯引起高损耗问题尚未得到有效解决。采用非晶合金带材制造铁芯的配电变压器，其运行过程中产生的空载损耗和空载电流仅为普通硅钢片变压器的25%和20%[2]，优异的节能效果使其在构建高效节能型电网中具有极大的应用潜力。此外，非金合金变压器具有许多优秀的特点，如耐腐蚀性、环保性、低成本等，因此其在高效节能型电网的应用前景非常广阔。
目前限制非晶合金变压器推广最主要的技术瓶颈是由于非晶合金材质的磁致伸缩率较高，是普通硅钢材质变压器的2倍[3]。同时，非晶合金变压器铁芯对应力敏感，这导致了铁芯的振动难以约束，这一状况对抑制非晶合金变压器铁芯较高的振动带来了挑战。如果对非晶合金变压器的振动不加以抑制，变压器的结构会由于长期的高振动而发生劣化，降低变压器的使用寿命。因此，研究非晶合金变压器的振动机理和噪声抑制对提高非晶合金变压器可靠性具有重要意义。非晶合金变压器的振动研究是一个包括电场、磁场、力场和声场的复杂多物理场下的问题，这些物理场之间存在相互影响、相互作用。在此背景下，研究多物理场下的非晶合金变压器的振动与降噪具有重要的工程意义和学术价值[4-6]
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1.2 国内外研究现状
非晶合金变压器铁芯振动特性与噪声抑制是变压器领域的一个热点问题，科研人员主要从理论数值计算、仿真分析和试验验证三个方向对变压器铁芯的振动特性与噪声抑制进行研究。本节从变压器振动机理研究、多物理场下的有限元分析、传统变压器降噪技术以及非晶合金变压器降噪技术研究这四个方面，对多物理场耦合下的非晶合金变压器铁芯振动特性与降噪研究的国内外研究现状进行介绍。
1.2.1 变压器振动机理研究现状与动态分析
波兰科学院的Jagielinski通过对非晶合金的成分对磁致伸缩的影响和磁场力引起的能量变化进行研究，发现非晶合金FeS iB 中饱和磁致伸缩系数随着铁的含量增高而变大[17]。
Azuma[18]等人制作了非晶合金变压器的模型。通过实验对非晶合金的剩磁、矫顽力、单位励磁功率和声压级水平等参数进行了测量。其研究表明当非晶合金铁芯的磁通密度大于1.5T时，其励磁功率和声压级远远大于普通硅钢片模型。
上海交通大学的邵宇鹰博士[19]从理论上阐释了大型变压器绕组的预紧力与绕组振动之间的关系，并且通过有限元计算模型与实验验证：增加绕组预紧力可以抑制铁芯振动幅值。
Ahn H M等学者采用机电耦合的方式，对绕组上短路时的暂态电流引起的磁力矢量，磁通密度等进行了研究，得到了与实际较为吻合的计算结果[20]。 汲胜昌等研究团队在空载条件下对变压器的铁芯进行了测试，通过实验验证了铁芯振动的基频幅值与外加电压的平方呈现较好的线性关系，同时指出了铁芯振动中的高次谐波信号与外加电压的平方无线性关系[21]。
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第二章 非晶合金变压器铁芯振动理论模型
2.1 非晶合金变压器的铁芯振动机理
非晶合金是通过将一定比例的铁、碳、硅、硼和钴等原料经过高温急速冷却和高速旋转而生成一种无序排列状态的合金。其中，铁基非晶合金材料磁性好，成本低，其空载损耗仅为普通硅钢片的四分之一，尤其适合作为高效节能型变压器的铁芯材料。但由于液态金属在高速冷却凝固后对应力敏感，所以这种材料的铁芯不能像普通硅钢变压器那样将铁芯作为变压器的受力骨架结构。其铁芯通常采用分层结构，每层由多个薄片叠合而成。这些薄片通常是几微米到几十微米的厚度，具有非晶态结构。为了减少磁通漏磁和铁芯噪声，这些薄片通常被涂上一层绝缘涂层，例如氧化铝或氧化硅。铁芯一般设计为四框五柱结构，截面做成矩形开口式。其绕组通常由漆包线或平行排列的电线绕制而成，并在浇注罐中用环氧树脂真空浇注而成,作为整个变压器的承重核心。为贴合铁芯，绕组也相应做成矩形，支撑在单独的绕组支撑系统上。为了不让铁芯过于受力，铁芯悬挂在绕组上，用下夹件托起铁芯重力，并在铁芯和下夹件之间放硅橡胶板以缓释夹紧和重力造成的应力[46]。由于非晶合金的材质以及非晶合金变压器相应的结构特点，非晶合金变压器在具备低损耗优势的同时，也存在一些缺点，在非晶合金变压器运行时，铁芯及其附件的振动缺乏束缚，因此相比与硅钢片变压器，其振动能量与对应的振动幅值要大的多，噪声水平也高。
非晶合金铁芯的振动主要是由于其材料的磁致伸缩特性导致，磁致伸缩是铁磁材料的基本物理特性之一，当铁磁材料受到外加磁场的磁化作用后，其体积会沿着磁化方向发生伸长或缩短的现象。其微观机理是，当铁磁材料无外加电磁场的磁化作用时，其内部铁磁晶体的磁畴方向杂乱无章，呈随机分布的状态。当将电磁场的磁化激励施加到铁磁材料后，铁磁材料内部的磁畴会朝磁化方向整齐排列，使得铁磁体积发生伸长或者缩短，如图2.1所示。
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2.2 非晶合金变压器振动噪声产生与传播
经过大量的实验和研究表明[50-53]，变压器正常运行时的漏磁较小，对变压器外壳的振动影响不大，基本可以忽略，铁芯和绕组的振动才是变压器的主体振动。对变压器进行空载实验时，变压器中的电流很小，绕组线圈中的损耗可以忽略不计，此时变压器主要产生的是铁损，振动主要原因就是铁芯的磁致伸缩作用。
非晶合金干式变压器振动传播过程如图2.2所示。不同结构尺寸的铁芯特征频率如果接近铁芯的磁致伸缩振动频率就会发生共振，会加剧非晶合金变压器铁芯的振动。因此，相比硅钢变压器，非晶合金变压器的振动不仅要考虑铁芯和绕组振动，还要考虑振动传递过程中结构的共振情况。
以往的试验和研究发现[54-55]，定量分析非晶合金铁芯的磁致伸缩行为是一个较为复杂的过程，由于铁磁材料磁致伸缩应变属于毫米级别，当铁磁材料受到预应力作用后，预应力导致的应变便不可忽视。此时，铁磁材料的磁致伸缩曲线在外磁场作用下表现出不同于磁致伸缩的单调增大的趋势，而是先增大再减小，最终趋于定值。同时，应力对其有复杂的影响，导致磁化曲线在不同大小的磁场下有不同的影响。为此，本文通过结合宏观热力学关系和微观物理机制，建立了一个能够反映磁致伸缩应变随外加应力的变化和不同磁场下的磁致伸缩应变的一维本构关系。
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第三章 非晶合金干式变压器铁芯振动特性仿真计算 ........................ 16
3.1 基本理论 ........................... 16
3.1.1 非晶合金变压器铁芯电磁场分析理论基础 .......................... 16
3.1.2 非晶合金变压器及其结构件应力场分析理论基础 .............. 18
第四章 非晶合金干式变压器铁芯振动特性实验验证 ........................ 31
4.1 铁芯测试试验平台搭建........................... 31
4.2 铁芯振动测试试验 ............................ 33
4.3 有限元计算的验证 ................................... 34
第五章 非晶合金变压器铁芯振动抑制 .......................... 46
5.1 减振垫抑制铁芯振动 .................................. 46
5.1.1 阻尼减振材料的选择 ................................... 46
5.1.2 实验分析 ............................... 47
第五章 非晶合金变压器铁芯振动抑制
5.1 减振垫抑制铁芯振动
非晶合金变压器铁芯的振动抑制主要有两种：一是通过优化非晶合金材料或铁芯结构来减少磁致伸缩引起的振动，这种抑制方法称为本体减振措施。另一种是通过局部减缓或消耗掉铁芯的振动能量，达到对铁芯振动的抑制，属于铁芯被动减振技术。本小节首先采用垫减振垫的被动减振技术，通过在非晶合金变压器大小铁芯框底部垫不同材质的减振垫，通过铁芯振动测试平台来对比不同减振垫对铁芯不同频率下振动的抑制效果。
5.1.1阻尼减振材料的选择
橡胶材质兼具高弹性的同时，还具备了高粘性。这使其作为优良的减振材料在工业各个领域中被广泛应用。橡胶在受到外力的作用时，其内部卷曲分子的结构会发生变化，这样的分子作用会阻碍分子链的运动，从未使得橡胶材料具备了粘性阻尼的特点，这种独特的粘弹性能使得橡胶被广泛应用于缓冲、减振以及隔声。
目前，常用的橡胶阻尼材料有三种：硅橡胶、氟橡胶和丁腈橡胶。其中高强度、韧性好、耐磨、耐油的氟橡胶是最常见的阻尼材料，其最突出的是耐热、耐油及电绝缘性能好。但其低温性能差，适用于要求耐热、耐油的密封环境中。丁腈橡胶的耐磨、耐高温、耐油性能优于氟橡胶。但其橡胶制品不耐天候、不耐老化，使用温度范围为-55℃～130℃；硅橡胶集氟橡胶和丁腈橡胶的优点于一身，既保留了耐老化、耐油和良好的压缩恢复性，又具有所用橡胶的高弹性和抗拉强度，具有良好的机械性能、物理性能和化学性能。
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第六章 总结与展望
6.1 论文工作总结
本文以非晶合金变压器为研究对象，在电-磁-力-声多物理场耦合下对其振动特性进行了研究，并搭建的铁铁芯振动特性与噪声水平测试平台，对其振动特性与噪声的产生机理进行了验证，并对变压器噪声抑制措施展开了研究，主要结论与创新点如下：
（1）基于非晶合金带材的磁化微观机理，采用从宏观热力学关系出发，结合应力影响磁致伸缩应变最大值的微观物理机制及其变化规律，建立了一个能够反映磁致伸缩应变随外加应力的变化、不同磁场下的一维磁致伸缩本构方程。研究表明：外加的应力只会使得磁畴发生壁移，而不会使磁畴发生旋转。所以可以将非晶合金带材中应力引起的弹性应变分解成与磁畴壁移有关和无关两部分，同时，非晶合金带材磁化初期仅仅是通过磁畴发生壁移而产生，由磁畴壁移导致的磁畴膨胀使得非晶合金材料发生磁致伸缩应变，当铁芯材料内壁移完成后，磁致伸缩会达到最大值此时随着磁场的增大磁畴便会发生转动，磁畴的转动会导致磁致伸缩减小。因此从微观角度看这两个过程可以独立处理。
（2）基于COMSOL Multiphysics进行多物理场有限元计算，通过对材料属性、载荷、边界条件进行参数控制，实现多物理场耦合求解非晶合金变压器铁芯的振动加速度、位移形变和声压分布。通过有限元计算值与试验测量数据的对比分析，得到直观和详细的铁芯振动位移和振动加速度分布和变化情况，为非晶合金铁芯的减振降噪提供理论依据。针对铁芯振动特征信号，采用ICP振动加速度传感器作为振动信号测试单元、A/D采集卡与计算机作为数采集单元和噪声计为噪声水平测试单元，建立了一套有效的铁芯振动信号与噪声水平测试平台验证有限元仿真。
（3）根据第三章非晶合金干式变压器铁芯在多物理场的有限元分析，搭建了铁芯振动测试平台对多物理场的有限元仿真结果进行验证。铁芯的振动信号呈现周期性变化，变化周期为0.01s，为激励交流电的两倍。铁芯振动的基频为100 Hz，在200 Hz时振动幅值达到峰值，铁芯的振动主要集中在100-600 Hz，超过600 Hz的振动幅值很小，可以忽略不计。
参考文献（略）