【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及减振降噪领域，具体涉及一种变压器铁心噪声控制用超材料装置及其分析方法。
技术介绍
1、500kv变电站中，变压器作为主要噪声源，其低频噪声污染问题一直受到人们的重视。常规的降噪工程大量采用声屏障、隔声罩等辅助降噪措施对500kv变压器进行噪声控制，但由于防护范围有限、工程造价高、干涉消防等问题，一直难以解决低频噪声问题。目前针对变压器铁心噪声，从磁性能优化、材料改进、加工组装工艺优化等方面开展了大量研究。但是变压器噪声主要源自铁心磁致伸缩产生的振动，降低铁心振动即可降低设备噪声的产生。
2、具体而言，目前变压器铁心通常为叠片铁心。叠片铁心由磁性硅钢片叠装而成，被磁化后发生磁致伸缩现象，从而引起铁心的振动，导致变压器铁心噪声。
3、铁心噪声一方面可以通过铁心本身的结构优化来进行控制。例如，铁心的结构与其模态动力学特征密切相关，通过铁心结构优化，实现固有频率与激振频率的错开设计，从而降低振动噪声。
4、另一方面，在硅钢片制造技术未取得突破性进展的前提下，铁心制造工艺改进也是控制铁心噪声的重要手段。具体而言，铁心噪声与其搭接形式、接缝尺寸、绑扎力水平和铁心表面磁密分布密切相关。目前，为了降低铁心噪声水平，可以在叠片间插入声学超材料，例如碟簧式超结构。碟簧式超结构可有效抑制硅钢片厚度方向弯曲变形，但是碟簧式超结构为开槽的凸台结构，数量众多，加工难度较大，需两个蝶形准零刚度弹簧对压装配，组装工艺难度较高。
5、因此，需要提供改进设计的变压器铁心噪声控制用超材料。
>技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种变压器铁心噪声控制用超材料，以提高所述变压器所述铁心的减震降噪效果，同时降低加工和组装工艺难度。
2、本专利技术采用如下的技术方案。
3、根据本专利技术的第一方面，提供一种变压器铁心噪声控制用超材料装置。该装置安装于所述变压器铁心的前侧和后侧，包括基板和安装在所述基板上的超材料层；所述超材料层包括多个元胞；所述多个元胞位于所述基板和所述变压器铁心之间；每个元胞为中空管状结构；所述中空管状结构的与延伸方向垂直的横截面包括：拱形顶部、凸梁、水平底部以及与所述水平底部垂直的第一侧部和第二侧部；所述拱形顶部的上边沿和下边沿均为半余弦曲线形状；所述凸梁设置在所述拱形顶部的上边沿的顶点处；所述拱形顶部的两端分别向两侧水平延伸，并分别与第一侧部的顶端以及第二侧部的顶端相连；所述水平底部的两端分别与第一侧部的底端以及第二侧部的底端相连。
4、进一步的，当所述元胞底部受到垂直方向的的压力时，所述拱形顶部能够发生形变而变为水平状，达到准零刚度状态。
5、进一步的，所述拱形顶部的上边沿和下边沿之间的厚度为1.5mm，所述凸梁的宽度和长度分别为3mm和50mm，所述水平底部的宽度为40mm，第一侧部的内侧面与第二侧部的内侧面之间的距离为32.5mm，第一侧部与第二侧部的高度均为3mm。
6、进一步的，所述横截面的水平底部所在的元胞底面的中央位置处设有螺栓孔，用于将元胞紧固在所述基板上。
7、进一步的，所述变压器铁心为方圈铁心；所述基板为形状为与所述方圈铁心匹配的方圈形基板；所述方圈形基板包括：
8、分别与所述方圈铁心的第一组平行梁对应的第一段和第二段；所述第一段和第二段的长度等于方圈形基板内圈的边长；
9、分别与所述方圈铁心的第二组平行梁对应的第三段和第四段；所述第三段和第四段的长度等于方圈形基板外圈的边长；
10、其中，所述第一段至第四段上均安装有2排紧邻排列的元胞。
11、进一步的，还包括设于所述变压器铁心的上端和下端的夹持机构，用于从所述变压器铁心的前侧和后侧对所述变压器铁心、基板和超材料层进行夹持。
12、进一步的，所述变压器铁心由硅钢片制成；所述基板采用硬铝合金制成；所述元胞采用尼龙制成。
13、根据本专利技术的第二方面，提供一种根据本专利技术第一方面所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置的分析方法。该方法包括如下步骤：
14、(1)以单个元胞和单个元胞横截面所在区段的基板和变压器铁心作为单个振动单元，对所述振动单元建立局部坐标系，基于构建的局部坐标根据欧拉伯努利理论得到振动单元的动力学方程；
15、(2)根据谐波平衡法，结合边界条件对振动单元的动力学方程进行求解，得到振动单元振动的色散关系和能带关系；所述边界条件包括在每个振动单元两端和中间位置处需要满足的位移连续条件和力平衡条件以及布洛赫边界条件；
16、(3)根据所述色散关系和能带关系，调节元胞的长度参数和硅钢片的厚度参数，得到对应参数条件下元胞振动的带隙分布和衰减特性，以最优化减振效果。
17、进一步的，步骤(1)包括：
18、分别以所述振动单元内基板的一侧端点和中点为原点建立第一局部坐标系x1oy1和第二局部坐标系x2oy2，分别以所述振动单元内变压器铁心的同一侧端点和中点为原点建立第三局部坐标系x1oy3和第四局部坐标系x2oy4；将所述振动单元中各段变压器铁心的弯曲振动位移分别表示为y1(x1,t)、y2(x2,t)，将所述振动单元中各段基板的弯曲振动位移分别表示为y3(x1,t)、y4(x2,t)，根据欧拉伯努利理论可推导所述振动单元的动力学方程为：
19、
20、其中，x1和x2为与基板或变压器铁心表面平行方向的坐标，y1和y2为与变压器铁心表面垂直方向的坐标，y3和y4为与基板表面垂直方向的坐标，e1、ρ1、a1和i1分别为变压器铁心的弹性模量、密度、横截面积和惯性矩；e2、ρ2、a2和i2分别基板的弹性模量、密度、横截面积和惯性矩。
21、进一步的，步骤(2)包括：
22、(21)基于谐波平衡法，设振动单元的动力学方程的谐波解如下：
23、y1(x1,t)＝y1(x1)eiwt，
24、y2(x2,t)＝y2(x2)eiwt，
25、y3(x1,t)＝y3(x1)eiwt，
26、y4(x2,t)＝y4(x2)ejwt，
27、(22)将所述谐波解代入动力学方程得到广义解y1(x1)，y2(x2)，y3(x1)，y4(x2)分别表示为：
28、
29、(23)将广义解代入位移连续条件和力平衡条件以及布洛赫边界条件进行求解，得到色散关系和能带结构；
30、所述色散关系表示为：
31、(e4μ+e-4μ)+t1(e3μ+e-3μ)+t2(2μ+e-2μ)+t3(eμ+e-μ)+t4＝0，
32、μ＝iql，
33、所述能带关系表示为：
34、
35、其中，i为单位虚数，q为波矢量，l为单个元胞的水平底部的宽度，t1～t4分别为第一系数矩阵至第四系数矩阵。
36、进一步的，步骤(23)中，
<本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种变压器铁心噪声控制用超材料装置，安装于所述变压器铁心的前侧和后侧，其特征在于，包括基板和安装在所述基板上的超材料层；所述超材料层包括多个元胞；所述多个元胞位于所述基板和所述变压器铁心之间；每个元胞为中空管状结构；所述中空管状结构的与延伸方向垂直的横截面包括：拱形顶部、凸梁、水平底部以及与所述水平底部垂直的第一侧部和第二侧部；所述拱形顶部的上边沿和下边沿均为半余弦曲线形状；所述凸梁设置在所述拱形顶部的上边沿的顶点处；所述拱形顶部的两端分别向两侧水平延伸，并分别与第一侧部的顶端以及第二侧部的顶端相连；所述水平底部的两端分别与第一侧部的底端以及第二侧部的底端相连。
2.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，当所述元胞底部受到垂直方向的的压力时，所述拱形顶部能够发生形变而变为水平状，达到准零刚度状态。
3.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，所述拱形顶部的上边沿和下边沿之间的厚度为1.5mm，所述凸梁的宽度和长度分别为3mm和50mm，所述水平底部的宽度为40mm，第一侧部的内侧面与第二侧部的内侧面之间
4.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，所述横截面的水平底部所在的元胞底面的中央位置处设有螺栓孔，用于将元胞紧固在所述基板上。
5.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，所述变压器铁心为方圈铁心；所述基板为形状为与所述方圈铁心匹配的方圈形基板；所述方圈形基板包括：
6.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，还包括设于所述变压器铁心的上端和下端的夹持机构，用于从所述变压器铁心的前侧和后侧对所述变压器铁心、基板和超材料层进行夹持。
7.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，所述变压器铁心由硅钢片制成；所述基板采用硬铝合金制成；所述元胞采用尼龙制成。
8.一种根据权利要求1-7中任一者所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于，步骤(1)包括：
10.根据权利要求9所述的分析方法，其特征在于，步骤(2)包括：
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(23)中，
...【技术特征摘要】
1.一种变压器铁心噪声控制用超材料装置，安装于所述变压器铁心的前侧和后侧，其特征在于，包括基板和安装在所述基板上的超材料层；所述超材料层包括多个元胞；所述多个元胞位于所述基板和所述变压器铁心之间；每个元胞为中空管状结构；所述中空管状结构的与延伸方向垂直的横截面包括：拱形顶部、凸梁、水平底部以及与所述水平底部垂直的第一侧部和第二侧部；所述拱形顶部的上边沿和下边沿均为半余弦曲线形状；所述凸梁设置在所述拱形顶部的上边沿的顶点处；所述拱形顶部的两端分别向两侧水平延伸，并分别与第一侧部的顶端以及第二侧部的顶端相连；所述水平底部的两端分别与第一侧部的底端以及第二侧部的底端相连。
2.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，当所述元胞底部受到垂直方向的的压力时，所述拱形顶部能够发生形变而变为水平状，达到准零刚度状态。
3.根据权利要求1所述的变压器铁心噪声控制用超材料装置，其特征在于，所述拱形顶部的上边沿和下边沿之间的厚度为1.5mm，所述凸梁的宽度和长度分别为3mm和50mm，所述水平底部的宽度为40mm，第一侧部的内侧面与第二侧部的内侧面之间的距离为32.5mm，第一侧部与第二侧部的高度均为3mm。
【专利技术属性】
技术研发人员：聂京凯，何强，韩钰，陈新，田一，郑博峰，张世乘，樊超，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。