基于硅钢片磁致伸缩本质模型的变压器铁芯振动问题研究

发布时间：2017-08-24 10:16

  本文关键词：基于硅钢片磁致伸缩本质模型的变压器铁芯振动问题研究

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【摘要】：高电压、大容量电力变压器在运行时产生的剧烈振动,不仅会影响设备的正常运行和使用寿命、降低设备可靠性,而且振动产生的噪声还会对人们的工作和生活产生不良影响。由于电网建设的需要,变压器的电压和容量等级不断提升；而随着城镇化的发展,原本处于郊区的变电站逐渐进驻市内,使得电力变压器的振动与噪声问题日益严峻,亟需解决。变压器的噪声来源于本体及冷却装置的振动,其中变压器本体中铁芯硅钢片由于磁致伸缩而产生的振动是主因。国内外学者对变压器振动及噪声的研究也多是基于磁致伸缩现象。一般的研究思路是首先建立磁致伸缩模型,利用该模型可在己知铁芯中磁场分布的情况下求得相应的磁致伸缩应变；然后将求得的磁致伸缩应变等效为磁致伸缩力,施加到变压器铁芯模型上,从而求得变压器铁芯在磁致伸缩作用下的振动变形。现有的磁致伸缩模型主要针对磁致伸缩应变与磁场之间的复杂关系建模,没有考虑其他影响因素尤其是外应力对磁致伸缩的影响；且模型本身多来源于实验数据的拟合,并不具有物理意义,而且实验数据本身的局限性也限制了模型的适用范围。而变压器铁芯所用晶粒取向性硅钢片属于铁磁性材料,铁磁性材料的磁致伸缩来源于磁化过程中磁畴的壁移与旋转。晶粒取向性硅钢片由于制造工艺的差异,其磁畴结构不同于一般的铁磁性材料,相应的磁致伸缩现象也不尽相同。本文介绍了晶粒取向性硅钢片的磁畴结构,并根据实验观测现象对外磁场与预应力作用下的磁畴变化进行了分析,得到了晶粒取向性硅钢片微观磁畴结构变化与宏观磁致伸缩现象之间的内在联系；然后在此基础上,从宏观热力学出发,建立了适用于晶粒取向性硅钢片的力磁耦合磁致伸缩本质模型,该模型从磁致伸缩的物理发生机理出发,克服了现有模型来源于特定实验数据拟合的缺点,具有通用性。基于晶粒取向性硅钢片的磁致伸缩本质模型,本文开展了变压器铁芯的振动研究。研究主要包括变压器铁芯振动数学模型的建立以及仿真模型的搭建。实际运行中电力变压器的测量结果表明,磁致伸缩将引起铁芯平面内与法向两个方向的振动。因此在变压器铁芯振动数学模型中磁致伸缩效应被等效成了硅钢片平面内磁致伸缩力和法向磁致伸缩力两种,并分别由弹性力学理论与能量守恒原理求得。仿真模型的搭建采用有限元软件ANSYS中的多物理场耦合模块,以实现电场与磁场、磁场与结构场之间的耦合,利用该仿真模型可求得耦合作用下铁芯中的磁场分布及结构变形。仿真分析结果表明,本文所建立的磁致伸缩本质模型、等效磁致伸缩力模型可以很好的预测铁芯在磁场作用下的振动变形,为后续建立变压器铁芯的三维模型并分析振动噪声打下了良好的基础。
【关键词】：变压器 硅钢片磁畴 磁致伸缩 多物理场耦合 铁芯振动
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM41
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 磁致伸缩特性分析及其本构模型研究13-19
• 1.2.2 铁芯振动效应分析及其振动模型研究19-21
• 1.3 本文的主要工作21-23
• 第二章 晶粒取向性硅钢片的磁致伸缩特性建模23-38
• 2.1 引言23
• 2.2 铁磁性材料的磁致伸缩发生机理23-27
• 2.2.1 铁磁性材料的微观结构特点23-24
• 2.2.2 铁磁性材料的磁化过程24-26
• 2.2.3 铁磁性材料的磁致伸缩26-27
• 2.3 晶粒取向性硅钢片的磁致伸缩本质模型27-33
• 2.3.1 晶粒取向性硅钢片的微观结构特点27-28
• 2.3.2 晶粒取向性硅钢片的磁致伸缩28-30
• 2.3.3 磁致伸缩本质模型的建立30-33
• 2.4 磁致伸缩本质模型的验证33-36
• 2.5 小结36-38
• 第三章 变压器铁芯的磁弹性耦合模型38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 变压器铁芯振动模型的建立38-45
• 3.2.1 磁弹性耦合模型38-40
• 3.2.2 平面内等效磁致伸缩力40-42
• 3.2.3 法向等效磁致伸缩力42-44
• 3.2.4 模态分析的必要性44-45
• 3.3 变压器铁芯振动模型的磁弹性耦合实现45-48
• 3.3.1 有限元分析软件ANSYS简介45-46
• 3.3.2 耦合场分析的实现方法46-48
• 3.4 小结48-50
• 第四章 磁致伸缩对变压器铁芯振动的影响研究50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 变压器二维铁芯模型的建立及仿真50-58
• 4.2.1 变压器二维铁芯模型的建立50-51
• 4.2.2 变压器二维铁芯模型的电磁场仿真结果51-53
• 4.2.3 变压器二维铁芯模型的结构场仿真结果53-58
• 4.3 变压器铁芯单个硅钢片模型的建立及仿真58-60
• 4.3.1 变压器铁芯单个硅钢片模型的建立58-59
• 4.3.2 单个硅钢片模型的结构场仿真结果59-60
• 4.4 小结60-62
• 第五章 结论与展望62-64
• 5.1 论文工作总结62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文70-71
• 附件71

【参考文献】

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1 周浩淼;铁磁材料非线性磁弹性耦合理论及其在超磁致伸缩智能材料中的应用[D];兰州大学;2007年

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本文编号：730714