一种降低噪声的变压器铁心结构及其制造方法

摘要

本发明公开了一种降低噪声的变压器铁心结构及其制造方法，该变压器铁心结构由若干硅钢片搭接而成，在变压器铁心结构拐角处搭接的相邻硅钢片叠片缝隙处填充有磁流变胶。本发明降低噪声的变压器铁心结构，在相邻硅钢片叠片缝隙处填充磁流变胶，由于磁流变胶的导磁性能，部分磁感线会从叠片缝隙中的磁流变胶通过，相比于叠片间隙中为空气的情况，磁力线更平滑地分布在叠片缝隙处，这减小了叠片缝隙周围漏磁场的磁密，进而减小了硅钢片之间的电磁力，从而减少电磁力引起的硅钢片叠片间的振动噪声。同时，由于磁流变胶本身的阻尼特性，消耗了一部分振动能量，从而进一步达到了阻尼和减小振动噪声的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可降低噪声的变压器，尤其涉及降低变压器铁心叠片缝隙处噪声的变压器铁心结构及其制造方法。

背景技术

变压器铁心是由硅钢片搭接而成，硅钢片搭接处存在气隙，由于气隙的磁阻非常大，所以磁通经过时，并不直接通过气隙，而是从相邻的硅钢片绕行，产生漏磁，漏磁场的存在引起相邻硅钢片间电磁力的增加，加剧硅钢片间电磁振动，变压器铁心接缝处的气隙是造成变压器空载损耗和引起振动噪声的主要原因。

近年来，通过采用优质铁磁材料制成硅钢片或改进铁心的结构，铁心叠片接缝处的损耗已大大降低。为了减小空载时变压器铁心的噪声，收录在2020年IEEE Transactionson Magnetics第36卷第5期第3759-3777页的文献“Relevance of magnetostriction andforces for the generation of audible noise of transformer cores”(磁致伸缩和力与变压器铁芯可听噪声的相关性)和中国专利文件CN 201773673U，提出了在变压器铁心搭接的拐角处采用步进搭接法可以有效地降低噪声，随着接缝级数的增加，磁通可绕行的硅钢片区域较多，从而减小接缝处气隙带来的空载损耗和振动噪声。

但是，上述从硅钢片材料和其搭接方式上改进变压器空载损耗和振动噪声的措施成本较高，并且，采用上述方式后变压器仍然存在较大的振动噪声，未能从根本上解决铁心的振动噪声问题。因此，如何进一步减小变压器的振动噪声和降低变压器的空载损耗是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种降低噪声的变压器铁心结构，能够在一定程度上降低变压器的振动噪声。

为实现上述目的，本发明降低噪声的变压器铁心结构的技术方案如下：

一种降低噪声的变压器铁心结构，由若干硅钢片搭接而成，在变压器铁心结构拐角处搭接的相邻所述硅钢片叠片缝隙处填充有磁流变胶。

进一步，所述硅钢片采用步进搭接的方式。

本发明降低噪声的变压器铁心结构，在相邻硅钢片叠片缝隙处填充磁流变胶，由于磁流变胶的导磁性能，部分磁感线会从叠片缝隙中的磁流变胶通过，相比于叠片间隙中为空气的情况，磁力线更平滑地分布在叠片缝隙处，这减小了叠片缝隙周围漏磁场的磁密，进而减小了硅钢片之间的电磁力，从而减少电磁力引起的硅钢片叠片间的振动噪声。同时，由于磁流变胶本身的阻尼特性，消耗了一部分振动能量，从而进一步达到了阻尼和减小振动噪声的效果。

本发明的第二目的在于提供一种降低噪声变压器铁心结构的制造方法，能够在一定程度上降低变压器的振动噪声。

为实现上述目的，本发明降低噪声变压器铁心结构的制造方法的技术方案如下：

一种降低噪声变压器铁心结构的制造方法，包括：采用硅钢片搭接所述变压器铁心结构，其中，在使用所述硅钢片搭接每层所述变压器铁心结构的拐角时，在相邻所述硅钢片的叠片缝隙处填充磁流变胶。

进一步，所述硅钢片进行步进搭接。

本发明的降低噪声变压器铁心结构的制造方法，能够制成本发明的降低噪声的变压器铁心结构，能够达到上述降低噪声的变压器铁心结构所能够取得的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的降低噪声的变压器铁心结构中，由硅钢片搭接的铁心结构的部分结构示意图；

图2为图1的剖面结构示意图；

图3a)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为空气气隙时二维磁场的仿真示意图；

图3b)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为磁流变胶时二维磁场的仿真示意图；

图4a)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为空气气隙时三维磁场的仿真示意图；

图4b)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为磁流变胶时三维磁场的仿真示意图；

图5为实施例叠制变压器铁心结构所用硅钢片1的磁致伸缩曲线；

图6a)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为空气气隙时，铁心结构因磁致伸缩引起的位移示意图；

图6b)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为磁流变胶时，铁心结构因磁致伸缩引起的位移示意图；

图7a)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为空气气隙时，铁心结构因磁致伸缩引起的振动加速度示意图；

图7b)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为磁流变胶时，铁心结构因磁致伸缩引起的振动加速度示意图；

图8a)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为空气气隙时，铁心结构因磁致伸缩引起的噪声分布示意图；

图8b)为实施例中变压器铁心结构拐角处相邻硅钢片的叠片缝隙处为磁流变胶时，铁心结构因磁致伸缩引起的噪声分布示意图；

图9为本实施例中所采用的磁流变胶3的磁化曲线；

图标：

1—硅钢片；2—空气气隙；3—磁流变胶。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明实施例中的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。

在本实施方式的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例

如图1-8所示的实施例，提供了本发明的一种降低噪声的变压器铁心结构，由若干硅钢片1搭接而成，在变压器铁心结构拐角处搭接的相邻硅钢片1叠片缝隙处填充有磁流变胶3。

本实施例所使用的硅钢片的磁致伸缩曲线如图5所示，后续关于硅钢片1的仿真和相关计算都是基于该磁化曲线。

本实施例所使用的磁流变胶可以采用以下方法制备：

1)在75℃水浴下，甲苯二异氰酸酯(MDI-50)、蓖麻油(CO)在容器中搅拌1小时；

2)在65℃水浴下，加入1,4丁二醇(BDO)，有机铋催化剂，搅拌1小时；

3)加入羰基铁粉，搅拌一小时。

其中，甲苯二异氰酸酯(MDI-50)、蓖麻油(CO)的质量比例可由以下公式求得：

式中，n

具体可以根据所需要配置的量进行调整，1,4丁二醇(BDO)根据反应物状态是否变为胶态适当添加，便得到本实施例中所使用的磁流变胶3。参见图9，为本实施例中，磁流变胶3的磁化曲线，后续关于磁流变胶3的仿真和相关计算都是基于该磁化曲线。

作为可替换的方式，磁流变胶3也可以采取其他本领域技术人员所熟知的配制方式进行配制。

本实施例中降低噪声变压器铁心结构的制造方法，包括：采用硅钢片1搭接变压器铁心结构，其中，在使用硅钢片1搭接每层变压器铁心结构的拐角时，在相邻硅钢片1的叠片缝隙处填充磁流变胶3。

参见图2-4、6-8，图中空气气隙2或磁流变胶3所在的区域为叠片缝隙，即采用硅钢片1搭接每层铁心的拐角时，相邻硅钢片1之间的缝隙即为叠片缝隙。变压器铁心结构的接缝包括多层叠片间隙。

优选地，硅钢片1进行步进搭接。这种搭接结构可以使磁力线更平滑地通过相邻的硅钢片1，减少漏磁通和铁心损耗，并增加铁心磁通密度并提高铁心利用率。充分利用磁流变胶3的导磁性能，减小了叠片缝隙周围硅钢片的磁密，并减小了硅钢片之间的电磁力，从而减少硅钢片的振动噪声。

在相邻硅钢片1的叠片缝隙处，分别为空气气隙2和磁流变胶3的情况下，进行二维和三维的比对仿真。

本实施例中变压器铁心结构的仿真依据和原理：磁流变材料在变压器铁心接缝处的工作磁感应强度小于0.1T。当所施加的磁场强度非常小时，磁流变材料近似表现出线性介质的磁性能。根据相关研究，可以在仿真中将磁流变材料的磁导率直接设置为1.25e-4。在正常情况下，变压器的交变场中没有自由电荷，但是由于交变磁场而产生感应电场，该交变磁场在导电介质中产生感应电流，即涡流。对于低频的正弦交变场，磁场中的每个变量都可以以相同的频率呈正弦变化。当忽略每个变量的位移电流和高次谐波时，麦克斯韦方程可表示为：

定义满足

其中ν是介质的磁导率，Js是电流源，σ是介质的电导率。

在电磁仿真软件中，分别建立变压器铁心结构部分叠制硅钢片1的二维模型和三维模型，然后根据图9的磁化曲线对磁流变材料进行赋值。为了降低计算成本，依据整个叠片铁心的一部分对变压器模型进行了相应的简化，通过施加边界条件来实现绕组中的励磁电流。

通过图3-4的仿真结果可以看出，在应用叠片缝隙处填充磁流变胶3的情况下，磁力线能够穿过叠片间隙。相反，当叠片间隙处为空气气隙2时，磁力线无法穿过叠片间隙到达同一层的相邻硅钢片1，磁力线进入位于其上层或下层的硅钢片1。其原因是磁流变材料在叠片间隙处具有比空气更高的磁导率，而磁力线更容易通过高磁导率材料。随着磁流变材料填充到叠片间隙中，磁力线更平滑地分布在每层铁心相邻硅钢片1的叠片间隙处，这减小了叠片铁心的厚度方向上的磁通密度，并减小了叠片铁心之间的电磁力。铁心重叠部分的磁感应强度降低了。铁心重叠部分间隙分担了磁场的一小部分，因此磁场不再集中在两个硅钢片1的重叠部分中，这将减小硅钢片的磁致伸缩。

根据现有研究可知，在振动频率为100Hz时磁流变材料的等效阻尼参数约为400N·s/m。因此，可以在结构力场仿真中设置磁流变材料的阻尼参数。

在仿真过程中，如图5所示，铁心材料中磁致伸缩应变与磁通密度之间的特性关系作为初始值加载到模型的铁心部分中。模型的结构力场与磁场相互耦合。位移矢量u满足以下方程式：

其中C是阻尼矩阵，M是质量矩阵，K是刚度矩阵。

如图6-7所示，在将磁流变材料添加到铁心结构的接缝之后，有效地抑制了铁心结构叠制硅钢片1的位移幅度和振动加速度。在图6中，相邻硅钢片1的叠片缝隙处分别为空气气隙2和磁流变胶3时，硅钢片1产生的最大位移幅度分别为1.12×10

在声场仿真方面，将变压器铁心结构外部的空气设置为求解域。求解域中的方程是声场方程。

其中ρ是流体密度；c是声音的速度；p

由于仿真软件中的声场仿真结果的单位是声压，所以通过以下将声压转换为分贝。

如图8所示，在变压器铁心结构的接缝处添加磁流变材料后，变压器铁心结构产生的最大噪声的数值由空气气隙2时的2.51dB降低到-2.82dB。本实施例中仅是对变压器的部分铁心结构进行仿真计算，可以合理地推断，在整个变压器的铁心接缝处均填充磁流变胶后，会具有良好的噪声抑制效果。

本实施例中，降低噪声的变压器铁心结构，在相邻硅钢片1叠片缝隙处填充磁流变胶3，由于磁流变胶3的导磁性能，部分磁感线会从叠片缝隙中的磁流变胶3通过，相比于叠片间隙中为空气的情况，磁力线更平滑地分布在叠片缝隙处，这减小了叠片缝隙周围漏磁场的磁密，进而减小了硅钢片1之间的电磁力，从而减少电磁力引起的硅钢片1叠片间的振动噪声。同时，由于磁流变胶3本身的阻尼特性，消耗了一部分振动能量，从而进一步达到了阻尼和减小振动噪声的效果。

需要说明的是，变压器铁心结构的接缝宽度可由本领域技术人员根据不同的设计标准进行确定。但是，在接缝处填充磁流变胶之后，均会产生上述技术效果。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。