不論是燒飯做菜還是給手機充電，我們每天的生活都離不開由電網為住宅、公司及學校等各類建筑提供的能源。這個復雜網絡包括發電站、長距離電力傳輸高壓線、為每戶家庭及社區供電的配電線路，以及用于過電保護及控制相關的硬件。

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，降低街區及建筑物周圍的電壓。

然而，變壓器會發出噪聲，人們在它附近會聽到微弱的嗡鳴聲。根據相關法規，設備的噪聲級必須維持在安全范圍內。雖然我們無法制造出完全靜音的設備，但可以通過優秀的產品設計來盡量降低這類噪聲的影響。

總部位于瑞士蘇黎世的 ABB 集團是全球最大的變壓器制造商之一，公司正通過數值分析和計算 App 來預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 開發器來運行虛擬設計檢查、測試各種配置，并通過基于模型開發的定制用戶界面來部署仿真結果。

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內輔助風扇和泵的振動。為了更好地降低噪聲，每個噪聲源都需要進行不同方式的單獨處理。

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、用于保護這些元件的外殼或箱子，以及外殼內的絕緣油（見圖 2 上）。當交流電通過其中一個線圈繞組時，會產生磁通量，并在相鄰線圈中產生感應電流。電壓的調節可以通過改變線圈匝數實現。

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械應變，金屬的快速膨脹與收縮產生振動。當這些振動通過絕緣油和用于固定內部鐵芯的裝夾點傳遞到外殼壁處時，會發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：發出鐵芯噪聲及載荷噪聲的能量轉換鏈（鐵芯的磁致伸縮和繞組中的洛倫茲力）。圖注：Energy Conversion Chain–能量轉換鏈；Power Supply–功率輸入；Electromagnetic System–電磁系統；Magnetostrictive & Lorentz Force–磁致伸縮與洛倫茲力；Mechanical System–機械系統；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產生洛侖茲力，造成振動，即載荷噪聲，并以機械能的形式傳遞到外殼。

由于存在多個噪聲源，同時還涉及相互關聯的電磁、聲學和力學等因素，瑞典威斯特勞斯市 (Västerås，Sweden) 的 ABB 集團研發中心 (ABB Corporate Research Center, ABB CRC) 的工程師們只有充分理解了變壓器的內部工作原理，才能優化變壓器的設計，將鳴擾降至最低。

聲學、力學和電磁效應的全耦合

“我們選擇使用 COMSOL Multiphysics 進行研究，是因為它能夠將多個物理場輕松地耦合在一起。”ABB 集團研發中心的科學家 Mustafa Kavasoglu 說，“因為項目需要模擬電磁學、聲學和力學，而 COMSOL® 支持在單一環境下求解這三個物理場，所以它是我們的最佳選擇。”

由 ABB 集團研發中心的 Kavasoglu、首席科學家 Anders Daneryd 博士和首席工程師 Romain Haettel 博士組成的團隊正在研究變壓器聲學。他們的目標是通過開發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）中產生的磁通量、繞組中的洛倫茲力（見圖 3 右）、磁致伸縮應變引起的機械位移，以及聲波傳播通過外殼時產生的聲壓級。

他們與 ABB 變壓器業務部進行了密切合作。為了滿足業務需求與相關要求，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出的噪聲。團隊首先通過電磁模型預測了由交流電感應出的磁場，然后分析了鋼中的磁致伸縮應變。

他們的幾何設定中包括鋼制鐵芯、繞組以及用于表征外殼的外部域。“我們從磁致伸縮的應變結果得到了位移，然后通過模態分析計算了不同頻率下的諧振。”Kavasoglu 說（見圖 4），“磁致伸縮應變很容易激勵出諧振，并會放大這些頻率下的振動。”

由此，他們將能夠預測聲音在絕緣油中的傳波，并計算它在外殼中引發的振動，以此計算傳到周圍環境中的聲輻射

他們還模擬了造成載荷噪聲的線圈繞組的位移，并確定了由此產生的聲場在外殼壁造成的表面壓力

他們還通過參數化研究分析了設計參數（比如外殼厚度和材料屬性）與產生的變壓器鳴擾之間的復雜關系，據此調整了幾何、鐵芯、繞組和外殼的設定，希望能盡量降低噪聲。

在全公司推廣仿真

集團研發中心的研究團隊持續使用 COMSOL 軟件加深他們的理解，并改進模型，還希望將自己的知識帶給 ABB 集團的其他設計人員以及整個業務部門。他們利用 COMSOL Multiphysics 中的 App 開發器將多物理場模型轉化為 App，并根據各部門的需求輕松地進行定制。

這些仿真 App 簡化了設計人員和研發工程師的測試與驗證工作。“一直以來，設計師們使用的設計工具都是基于統計數據和驗證模型。我們通過部署仿真 App 彌補了這一不足。借助我們在 App 開發器中制作的用戶界面，他們無需學習有限元理論也能獨立運行有限元分析。”Haettel 解釋說。

圖 7 中的 App 用于計算變壓器鐵芯的特征頻率，如果在可聽閾內則意味著會造成噪聲問題。App 中包括在 COMSOL® 軟件中開發的物理場模型，以及在 App  開發器中由 Java® 代碼定制開發的方法。

“我們的設計人員可以通過標準電子表單處理日常開發工作。但是在引入新設計或其他幾何尺寸時，這一方法就會遇到問題，例如錯誤的輸出結果表明噪聲級數據還不夠準確。如果還需要結合其他方法來降低變壓器的整體噪聲，那成本將變得很高。”Haettel 繼續說。

“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勢，從而使設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、材料屬性和其他設計參數組合造成的變壓器鳴擾。“我們慎重地選出了允許用戶訪問的參數，主要是一些最重要的參數。”Kavasoglu 補充道。

鑒于 ABB 需要為多個工業應用領域設計變壓器，這種靈活性將給他們的設計與虛擬測試帶來極大的便利。“ABB 需要針對各行業的需求生產變壓器。我們當前主要研究了電力公司中常用的、負責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行其他研發工作。App 開發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 分發給其他辦公室，輕松實現共享。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。”仿真專家可以通過在本地安裝的 COMSOL Server 管理并部署他們的 App，用戶則能通過客戶端或網絡瀏覽器進行訪問。

該團隊目前正努力開發另一個用來計算載荷噪聲的 App。在業務部門中，該 App 將進一步簡化繁瑣的計算工作；與此同時，設計人員和銷售工程師無需設置底層的精細模型就可以進行虛擬測試。這使得 ABB 能更快、更輕松地制造出全世界最好的變壓器。

本文由上海雷郎變壓器提供，上海雷郎專業生產：變壓器、隔離變壓器、三相變壓器、三相干式隔離變壓器，如有需要可以在線聯系我們哦！