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在應(yīng)用于直流微網(wǎng)、艦船直流區(qū)域配電等獨立電網(wǎng)領(lǐng)域的隔離型直流變換器中，變壓器的體積、質(zhì)量、損耗約占變換器的20%～40%，而且是主要的電磁振源。變壓器振動不僅降低了設(shè)備自身的可靠性，也影響了獨立電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

為了降低變壓器的體積、質(zhì)量，提高變換器功率密度，須提高變壓器工作頻率，一般為中頻，這使得銅箔內(nèi)的電流密度分布受到渦流的顯著影響。為了滿足電流需求，中頻變壓器廣泛采用了箔式繞組，如圖1a所示。同時，工作在電力電子場合下的隔離變壓器大多是非正弦供電的。

圖1 箔式繞組和餅式繞組

早在20世紀(jì)20年代，國外一些大型變壓器廠商和相關(guān)機(jī)構(gòu)就開始了對變壓器振動噪聲問題的研究，其中對鐵心磁致伸縮等因素引起的振動研究在國內(nèi)外已經(jīng)十分豐富，對變壓器繞組振動的研究也逐步發(fā)展。

文獻(xiàn)[10]最早提出了彈簧-質(zhì)塊的餅式繞組（如圖1b所示）集中質(zhì)量模型。文獻(xiàn)[11,12]在文獻(xiàn)[10]數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上分析了變壓器短路時繞組的軸向振動特性，討論了不同預(yù)緊力下線餅軸向振動的規(guī)律。文獻(xiàn)[13]基于集中參數(shù)模型和Ansys軟件建立了餅式繞組的有限元磁-機(jī)械耦合模型，模型特別考慮絕緣墊塊的非線性力學(xué)特性。

文獻(xiàn)[14]對油浸式變壓器進(jìn)行了磁場-機(jī)械-聲場的三維有限元分析，分析了變壓器鐵心和繞組的受力情況與變壓器周圍電磁振動噪聲的分布，但未對繞組進(jìn)行精細(xì)建模。

目前，對變壓器繞組振動的研究方法主要有集中參數(shù)模型和有限元兩種?，F(xiàn)有的餅式繞組“質(zhì)量-彈簧-阻尼”集中參數(shù)軸向振動模型采用集中電動力作為載荷，僅能考慮餅式繞組軸向振動，由于箔式繞組與餅式繞組結(jié)構(gòu)存在較大差異，集中質(zhì)量模型不適用于箔式繞組。而現(xiàn)有的有限元案例通常針對電力變壓器，多以集中力作為載荷，極少采用分布力形式，但尚未見到考慮渦流的電磁振動分析。

本文主要研究考慮渦流的中頻變壓器箔式繞組電磁振動仿真計算模型。在考慮渦流對箔式繞組影響的基礎(chǔ)上，采用有限元方法建立了箔式繞組的電磁-結(jié)構(gòu)順序耦合仿真模型，完成了箔式繞組在1kHz非正弦激勵下的電磁振動的全過程仿真分析。此外，在電磁分析、模態(tài)分析和振動分析三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)分別設(shè)計實驗，以驗證仿真結(jié)果。由于變壓器鐵心與繞組機(jī)械振動耦合情況復(fù)雜，為簡化分析，本文暫未考慮鐵心對繞組振動的影響。

圖10 模態(tài)測試平臺及測點位置

圖18 振動實驗平臺

圖19 測點位置

結(jié)論

本文基于三維有限元方法對中頻變壓器箔式繞組的電磁力、模態(tài)以及振動響應(yīng)進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論：

1）為了準(zhǔn)確計算中頻變壓器箔式繞組電磁力，需考慮渦流引起的電磁力空間分布情況；根據(jù)中頻變壓器繞組電流密度分布規(guī)律優(yōu)化網(wǎng)格劃分，可以在保證計算精度的前提下大幅減少計算時間；由于電磁力難以直接實驗驗證，本文通過繞組端口交流阻抗的測量間接驗證了電磁力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）計算了箔式繞組的固有頻率和振型。本文研究工作表明，繞組絕緣材料彈性模量及浸漆工藝是影響固有頻率的重要因素。

3）針對25kW中頻變壓器，建立了箔式繞組的順序耦合電磁-結(jié)構(gòu)振動仿真模型。與加速度幅值實測結(jié)果的平均值對比可知：考慮渦流的模型計算結(jié)果相對誤差約為1.3dB；不考慮渦流的模型相對誤差約為5dB。因此，中頻變壓器箔式繞組渦流對其電磁振動影響顯著。

4）通過正弦掃頻實驗分析可知，箔式繞組產(chǎn)生共振的兩個條件為：電磁力頻率（激勵電流倍頻）接近固有頻率；電磁力的方向與模態(tài)振型位移方向相接近。

本文為考慮渦流影響的中頻變壓器箔式繞組振動研究提供了一種有限元建模方法，為后續(xù)中頻變壓器鐵心和繞組耦合振動研究奠定了基礎(chǔ)。