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(kāi)由電網(wǎng)為住宅、公司及學(xué)校等各類(lèi)建筑提供的能源。這個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)電站、長(zhǎng)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(guò)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(jí)的電力變壓器（見(jiàn)圖1）。電壓越高，功率傳輸時(shí)的損耗越低，所以高電壓更適合長(zhǎng)距離功率輸送。但這種高壓等級(jí)會(huì)給輸電線的兩端帶來(lái)潛在的安全威脅，因此需要通過(guò)變壓器來(lái)增加電源饋入點(diǎn)的電壓，降低街區(qū)及建筑物周?chē)碾妷骸?
然而，變壓器會(huì)發(fā)出噪聲，人們?cè)谒浇鼤?huì)聽(tīng)到微弱的嗡鳴聲。根據(jù)相關(guān)法規(guī)，設(shè)備的噪聲級(jí)必須維持在安全范圍內(nèi)。雖然我們無(wú)法制造出完全靜音的設(shè)備，但可以通過(guò)優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)盡量降低這類(lèi)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(guò)數(shù)值分析和計(jì)算App來(lái)預(yù)測(cè)和最小化變壓器中的噪聲等級(jí)。他們借助COMSOL Multiphysics®仿真軟件和App開(kāi)發(fā)器來(lái)運(yùn)行虛擬設(shè)計(jì)檢查、測(cè)試各種配置，并通過(guò)基于模型開(kāi)發(fā)的定制用戶界面來(lái)部署仿真結(jié)果。
降低來(lái)自多個(gè)源頭的噪聲
變壓器的噪聲通常有多個(gè)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(dòng)。為了更好地降低噪聲，每個(gè)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(gè)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(jiàn)圖2上）。當(dāng)交流電通過(guò)其中一個(gè)線圈繞組時(shí)，會(huì)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(guò)改變線圈匝數(shù)實(shí)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(huì)造成機(jī)械應(yīng)變，金屬的快速膨脹與收縮產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)這些振動(dòng)通過(guò)絕緣油和用于固定內(nèi)部鐵芯的裝夾點(diǎn)傳遞到外殼壁處時(shí)，會(huì)發(fā)出一種能被人耳捕捉到的嗡嗡聲，即鐵芯噪聲（見(jiàn)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(huì)在各個(gè)繞組內(nèi)產(chǎn)生洛侖茲力，造成振動(dòng)，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(gè)噪聲源，同時(shí)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(jì)，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?yàn)樗軌驅(qū)⒍鄠€(gè)物理場(chǎng)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(shuō)，“因?yàn)轫?xiàng)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(gè)物理場(chǎng)，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(duì)正在研究變壓器聲學(xué)。他們的目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列的仿真與計(jì)算App來(lái)計(jì)算變壓器鐵芯和繞組（參見(jiàn)圖3左）中產(chǎn)生的磁通量、繞組中的洛倫茲力（見(jiàn)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(guò)外殼時(shí)產(chǎn)生的聲壓級(jí)。
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(xiàng)目時(shí)常需要借助知名電力變壓器專家Christoph Ploetner博士的經(jīng)驗(yàn)與專長(zhǎng)。
在其中一個(gè)仿真項(xiàng)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(duì)首先通過(guò)電磁模型預(yù)測(cè)了由交流電感應(yīng)出的磁場(chǎng)，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(guò)模態(tài)分析計(jì)算了不同頻率下的諧振?！盞avasoglu說(shuō)（見(jiàn)圖4），“磁致伸縮應(yīng)變很容易激勵(lì)出諧振，并會(huì)放大這些頻率下的振動(dòng)。”
由此，他們將能夠預(yù)測(cè)聲音在絕緣油中的傳波，并計(jì)算它在外殼中引發(fā)的振動(dòng)，以此計(jì)算傳到周?chē)h(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(chǎng)在外殼壁造成的表面壓力
他們還通過(guò)參數(shù)化研究分析了設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)帶給ABB集團(tuán)的其他設(shè)計(jì)人員以及整個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)。他們利用COMSOL Multiphysics中的App開(kāi)發(fā)器將多物理場(chǎng)模型轉(zhuǎn)化為App，并根據(jù)各部門(mén)的需求輕松地進(jìn)行定制。
這些仿真App簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員和研發(fā)工程師的測(cè)試與驗(yàn)證工作?！耙恢币詠?lái)，設(shè)計(jì)師們使用的設(shè)計(jì)工具都是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證模型。我們通過(guò)部署仿真App彌補(bǔ)了這一不足。借助我們?cè)贏pp開(kāi)發(fā)器中制作的用戶界面，他們無(wú)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(shuō)。
圖7中的App用于計(jì)算變壓器鐵芯的特征頻率，如果在可聽(tīng)閾內(nèi)則意味著會(huì)造成噪聲問(wèn)題。App中包括在COMSOL®軟件中開(kāi)發(fā)的物理場(chǎng)模型，以及在App 開(kāi)發(fā)器中由Java®代碼定制開(kāi)發(fā)的方法。
“我們的設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電子表單處理日常開(kāi)發(fā)工作。但是在引入新設(shè)計(jì)或其他幾何尺寸時(shí)，這一方法就會(huì)遇到問(wèn)題，例如錯(cuò)誤的輸出結(jié)果表明噪聲級(jí)數(shù)據(jù)還不夠準(zhǔn)確。如果還需要結(jié)合其他方法來(lái)降低變壓器的整體噪聲，那成本將變得很高?！盚aettel繼續(xù)說(shuō)。
“除了成本因素，還有時(shí)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(shì)，從而使設(shè)計(jì)人員的工作更加簡(jiǎn)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(jì)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(wèn)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(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)變壓器，這種靈活性將給他們的設(shè)計(jì)與虛擬測(cè)試帶來(lái)極大的便利?！癆BB需要針對(duì)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(gè)城市輸送和分配電力的大型交流電力變壓器?！彼忉屨f(shuō)。
“不過(guò)，我們的工作可以適用于任何類(lèi)型的變壓器中，而且我們還可以根據(jù)收到的請(qǐng)求來(lái)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(kāi)發(fā)器簡(jiǎn)化了知識(shí)與技能的傳遞?！?
“我們還通過(guò)COMSOL Server? 許可證將用于測(cè)試的App分發(fā)給其他辦公室，輕松實(shí)現(xiàn)共享。這種全球許可證非常實(shí)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(guò)在本地安裝的COMSOL Server管理并部署他們的App，用戶則能通過(guò)客戶端或網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn)。
該團(tuán)隊(duì)目前正努力開(kāi)發(fā)另一個(gè)用來(lái)計(jì)算載荷噪聲的App。在業(yè)務(wù)部門(mén)中，該App將進(jìn)一步簡(jiǎn)化繁瑣的計(jì)算工作；與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員和銷(xiāo)售工程師無(wú)需設(shè)置底層的精細(xì)模型就可以進(jìn)行虛擬測(cè)試。這使得ABB能更快、更輕松地制造出全世界最好的變壓器。
周一到周五 8：30-17：30