JP2021135285A - 変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法および振動解析方法 - Google Patents
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Abstract
Description
配電用変圧器は、様々な場所に設置されているが、特に市街地に設置される変圧器には騒音が小さいことが強く求められる。このように昨今では、変圧器が設置される周辺環境への配慮などから、特に騒音特性がますます重要となっている。
そこで、磁歪が生ずる磁性体を含む電磁部品を有限要素解析における複数の有限要素の組み合わせで表現した数値解析モデルに基づいて電磁部品に与えられる磁束密度に応じた有限要素の各節点又は各有限要素の歪みと等価な節点力を算出する解析装置および解析方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
このうち、応力テンソル{σ}と歪みテンソル{ε}との関係を示した構成式は、
{σ}={D}{ε} ({ }はテンソルを示す)
で表されている。
ここで、{D}は歪みと応力の関係を表したテンソルである。成分表示すると、(1)式のようになる。
[σ]=[D][ε] ([ ]は行列であることを示す。[D]を弾性マトリックスと称する。)
と行列表示して、成分で表示すると、(2)式のようになる。
しかしながら、上記先行技術では、弾性マトリックス[D]の設定については何ら記載がなく、弾性マトリックス[D]をどのように決定するかについては記載がない。但し、一般的には、構造解析の対象となる電磁部品を構成する電磁鋼板等の部材自体の弾性係数をそのまま適用する場合が多い。
この場合には、構造解析の対象となる電磁部品の機械振動計算結果と実際に機械振動を測定した結果とを比較した場合に、計算値と実測値との間に大きな乖離があることが知られている。このため、構造解析プログラムによる構造解析を、鋼板を積層して構成される積層構造体である電磁部品の設計に反映することは困難とされてきた。
特に、応力と歪みとの関係を行列表示で表した構成式を使用して鋼板を積層した積層鉄心の振動解析を行うに際し、構成式中の前述の弾性マトリックス[D]に含まれる変圧器の積層鉄心の積層方向を含む二面における横弾性係数を決定する方法は確立されていない。
[1] 応力と歪みとの関係を行列表示で表した構成式を使用して鋼板を積層した変圧器の積層鉄心の振動解析を行うに際し、前記構成式中の弾性マトリックスに含まれる前記変圧器の積層鉄心の積層方向を含む二面における横弾性係数が前記積層鉄心を構成する複数(n個)の部位において同一である当該同一の積層方向を含む二面における横弾性係数を決定する変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法であって、振動解析の対象となる前記変圧器の積層鉄心の励磁騒音を測定して求めた騒音の周波数スペクトルを取得する第1ステップと、前記変圧器の積層鉄心を構成する電磁鋼板と同じ電磁鋼板の励磁磁歪の周波数スペクトルデータを取得する第2ステップと、振動解析の対象となる前記変圧器の積層鉄心について、積層方向を含む二面における横弾性係数を所定範囲から選定された特定の値Gとして振動応答解析を行い、この特定の値Gに対する前記変圧器の積層鉄心の振動応答関数の周波数スペクトルを求める第3ステップと、前記第2ステップで取得した電磁鋼板の励磁磁歪の周波数スペクトルデータと、前記第3ステップで求めた前記変圧器の積層鉄心の振動応答関数の周波数スペクトルとから前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルを算出する第4ステップと、前記第1ステップで取得した前記変圧器の積層鉄心の騒音の周波数スペクトルと、前記第4ステップで算出した前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度を求める第5ステップと、前記特定の値Gを前記所定範囲内で変更して、前記第3ステップから前記第5ステップを繰り返し、前記一致度が極大となる特定の値Gを決定する第6ステップと、を含むことを特徴とする変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法。
また、本発明に係る変圧器の積層鉄心の振動解析方法は、最適に決定された変圧器の積層鉄心の積層方向を含む二面における横弾性係数を構成式に組み込んで振動解析を行うことにより、振動解析精度を向上させることができる。
図1には、本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法に適用し得る振動解析装置が示されている。
振動解析装置10は、図1に示すように、CPU11を備えた演算処理装置12で構成されたコンピュータシステムである。CPU11には、内部バス13を介してRAM,ROM等の内部記憶装置14、外部記憶装置15、キーボード、マウス等の入力装置16およびディスプレイに画像データを出力する出力装置17が接続されている。
そして、第1実施形態及び第2実施形態で解析対象とする積層鉄心21は、例えば配電用変圧器として使用する三相三脚変圧器用の積層鉄心であって、図2に示すように、上ヨーク22aおよび下ヨーク22b間に三本の脚部22cを連結した板厚0.3mmの方向性電磁鋼板22を例えば333枚積層してガラステープを巻き付けて固定されている。
なお、第1実施形態及び第2実施形態で解析対象とする積層鉄心21は、図2に示した三相三脚変圧器用の積層鉄心が一例であって、方向性電磁鋼板22の板厚、方向性電磁鋼板22の積層枚数、上ヨーク22aおよび下ヨーク22bの寸法、三本の脚部22cの寸法等は前述した例に限定されない。
この構成式は、積層物を等価均質体に置き換え、積層の影響をマトリックス物性で表現すると下記(3)式のようになる。
[σ]=[C][ε] ・・・(3)
ここで、[σ]は応力マトリックス、[C]は応答関数としての弾性マトリックス(ステフィネスマトリックス)、[ε]は歪みマトリックスである。
同様に、歪みマトリックス[ε]は、垂直成分がX方向の垂直歪みεx、Y方向の垂直歪みεyおよびZ方向の垂直歪みεzで表される、せん断成分がZX平面のせん断歪みはγzx、YZ平面のせん断歪みγyzおよびXY平面のせん断歪みγxyで表される。
また、弾性マトリックス[C]は、36個の弾性係数Cij(i=1〜6,j=1〜6)で表される。
これらをマトリックス表示すると下記(4)式となる。
このため、直交異方性を有する物体については基本的に、下記(5)式のようにC11、C12、C13、C22、C23、C33、C44、C55およびC66の計9個の弾性係数で表すことができる。
ここで、縦弾性係数とポアソン比との間には、相反定理と呼ばれる下記(16)式の関係が成り立つ。
このように、直交異方性を有する物体の弾性マトリックスを表す計9個の弾性係数C11、C12、C13、C22、C23、C33、C44、C55およびC66の値は、縦弾性係数Ex、Ey、Ez、横弾性係数Gyz、Gzx、Gxyおよびポアソン比νxy、νyz、νzxの計9個の機械的物性値を使って表すことができるので、これら9個の機械的物性値を決定することは弾性マトリックスを表す9個の弾性係数を決定することと等価になる。従って、以下では縦弾性係数、横弾性係数、ポアソン比の決定方法について説明する。
ところが、ZX平面の横弾性係数GzxおよびYZ平面の横弾性係数Gyzを鋼板間の滑りの影響を反映した値とするには、実際に三相三脚変圧器用の積層鉄心を製作して、正確な横弾性係数GzxおよびGyzを測定しなければならない。しかしながら、積層鉄心の横弾性係数を測定する方法は確立されていない。金属材料の場合には、超音波を使った測定により横弾性係数を含む機械定数を測定することができるが、積層鉄心の場合は鋼板間の滑りがあるので、振動減衰が大きく、測定が難しいためと思われる。
なお、変圧器の製造の現場において、変圧器の励磁騒音特性は出荷製品の品質管理項目として広く実測されており、その測定に特段の困難はない。
ここで、積層鉄心21の縦弾性係数Ex、Ey、Ez、横弾性係数Gyz、Gzx、Gxyおよびポアソン比νxy、νyz、νzxの計9個の機械的物性値のうちの7個は前述したように以下のように設定する。
Ex=Ex0、Ey=Ey0、Ez=10GPa
Gxy=Gxy0
νxy=νxy0、νyz=νzx=0
ここで、変圧器の積層鉄心21の騒音の周波数スペクトルと、変圧器の積層鉄心21の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度をどのように評価するかが問題となる。
しかしながら、ユークリッド距離をとる一致度の評価方法は、データにオフセットがあると精度が悪くなることが知られている。励磁騒音や励磁振動の周波数スペクトルデータはdB値で示されることが多いが、この場合には基準値をどこにとるかの自由度があって、この自由度の分がオフセットとなる懸念がある。
Ex=Ex0、Ey=Ey0、Ez=10GPa
Gxy=Gxy0
νxy=νxy0、νyz=νzx=0
次に、本発明の第2実施形態に係る変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法について、図10を参照して説明する。
第2実施形態に係る弾性マトリックス決定方法に適用される振動解析装置は、前述したように、図1に示す振動解析装置10である。また、第2実施形態で解析対象とする積層鉄心は、図2に一例で示した三相三脚変圧器用の積層鉄心21である。
先ず、振動解析装置10は、ステップS11(第1ステップ)において、図2に示す振動解析の対象となる変圧器の積層鉄心21の励磁騒音を測定して求められた騒音の周波数スペクトルを入力装置16で取得する。具体的には、積層鉄心21に周波数50Hz励磁騒音測定を行って騒音の周波数スペクトルとして周波数100Hzから1000Hzまで100Hzピッチでの励磁騒音のスペクトルを採取する。
なお、変圧器の製造の現場において、変圧器の励磁騒音特性は出荷製品の品質管理項目として広く実測されており、その測定に特段の困難はない。
ここで、積層鉄心21の縦弾性係数Ex、Ey、Ez、横弾性係数Gyz、Gzx、Gxyおよびポアソン比νxy、νyz、νzxの計9個の機械的物性値のうちの7個は前述したように以下のように設定する。
Ex=Ex0、Ey=Ey0、Ez=10GPa
Gxy=Gxy0
νxy=νxy0、νyz=νzx=0
ここで、ここで特定の値G1、G2、・・・、Gnのそれぞれが選定される所定範囲は、実際に、変圧器の積層鉄心21の構造から予想される横弾性係数の範囲であり、本実施形態では、0.02GPaから1.0GPaの範囲である。
ここで、変圧器の積層鉄心21の騒音の周波数スペクトルと、変圧器の積層鉄心21の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度は、第1実施形態と同様に、コサイン一致度を採用している。
なお、第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、積層鉄心の横弾性係数GyzとGzxとを等しいとおいた場合を例示している。
Ex=Ex0、Ey=Ey0、Ez=10GPa
Gxy=Gxy0
νxy=νxy0、νyz=νzx=0
例えば、変圧器の積層鉄心21の騒音の周波数スペクトルと、変圧器の積層鉄心21の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度の評価方法は、コサイン一致度に限らず、オフセットを含まないようにdB表示の基準をとるなどすればユークリッド距離を採用することも可能であるし、その他の一致度の評価方法も本質的に励磁騒音と励磁振動の周波数スペクトルデータの一致度を定量的に示すものであれば採用することは可能である。
また、第1実施形態に係る弾性マトリックス決定方法では、積層鉄心21を構成する複数(n個)の部位の横弾性係数が同一であり、具体例として、積層鉄心21を構成する上ヨーク22a及び下ヨーク22bと脚部22cの横弾性係数が同一である場合について説明している。積層鉄心21を構成する複数の部位の数は任意であり、上ヨーク22a及び下ヨーク22bと脚部22cとに限らず、上ヨーク22a及び下ヨーク22bと脚部22c以外の部位を含めて積層鉄心21を構成するようにしてもよい。
本発明の効果を検証すべく、第2実施形態に係る変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法を実施した。
先ず、板厚0.3mmの方向性電磁鋼板を用意した。この方向性電磁鋼板は、振動解析の対象となる図2に示す三相三脚変圧器用の積層鉄心21を構成する方向性電磁鋼板22と同じものである。この方向性電磁鋼板について、磁束密度1.7Tにおける磁歪の周波数スペクトルを測定したところ、図12に示すような結果を得た。
そして、作成した積層鉄心21の三本の脚部22cにそれぞれIV電線を巻いて励磁用コイルとし、そのコイルに50Hzの3相電流を通電して鉄心磁束密度がちょうど1.7Tとなるように電源電圧を調整してから、騒音計を用いて励磁騒音を測定した。使用した騒音計の騒音周波数スペクトルを求める機能を用いて騒音周波数スペクトルを求めたところ、図11に示すような騒音の周波数スペクトルが得られた。
次いで、振動解析装置10は、ステップS12(第2ステップ)において、前述の励磁磁歪の周波数スペクトルデータ(図12)を入力装置16で取得した。
次に、振動解析装置10は、ステップS13(第3ステップ)において、振動解析装置10にインストールされた構造解析ソフトを用いて振動解析の対象となる変圧器の積層鉄心21について振動応答解析を実施した。
Ex=132GPa、Ey=220GPa、Ez=10GPa
Gxy=116GPa
νxy=0.37、νyz=νzx=0
ここで、x、y、zは、鋼板圧延方向をx、鋼板積層方向をzとしている。
例えば、積層鉄心21を構成する上ヨーク22a及び下ヨーク22bの横弾性係数Gyz=Gzx=G1が0.2GPa、脚部22cの横弾性係数Gyz=Gzx=G2が0.1GPaのときは、積層鉄心21の振動応答関数の周波数スペクトルは図13に示すようになる。
例えば、積層鉄心21を構成する上ヨーク22a及び下ヨーク22bの横弾性係数Gyz=Gzx=G1が0.2GPa、脚部22cの横弾性係数Gyz=Gzx=G2が0.1GPaのときの、積層鉄心21の励磁振動の周波数スペクトルは、図14に示すようになる。
ここで、変圧器の積層鉄心21の騒音の周波数スペクトルと、変圧器の積層鉄心21の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度は、第1実施形態と同様に、コサイン一致度を採用している。
最後に、G1=0.25GPa、G2=0.15GPaとするG1、G2の組み合わせに対して計算した積層鉄心21の励磁振動の周波数スペクトルを、変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルの最終的な計算値とした。
11 CPU
12 演算処理装置
13 内部バス
14 内部記憶装置
15 外部記憶装置
16 入力装置
17 出力装置
18 記録媒体
21 積層鉄心
22 方向性電磁鋼板(鋼板)
22a 上ヨーク
22b 下ヨーク
22c 脚部
Claims (4)
- 応力と歪みとの関係を行列表示で表した構成式を使用して鋼板を積層した変圧器の積層鉄心の振動解析を行うに際し、前記構成式中の弾性マトリックスに含まれる前記変圧器の積層鉄心の積層方向を含む二面における横弾性係数が前記積層鉄心を構成する複数(n個)の部位において同一である当該同一の積層方向を含む二面における横弾性係数を決定する変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法であって、
振動解析の対象となる前記変圧器の積層鉄心の励磁騒音を測定して求めた騒音の周波数スペクトルを取得する第1ステップと、
前記変圧器の積層鉄心を構成する電磁鋼板と同じ電磁鋼板の励磁磁歪の周波数スペクトルデータを取得する第2ステップと、
振動解析の対象となる前記変圧器の積層鉄心について、積層方向を含む二面における横弾性係数を所定範囲から選定された特定の値Gとして振動応答解析を行い、この特定の値Gに対する前記変圧器の積層鉄心の振動応答関数の周波数スペクトルを求める第3ステップと、
前記第2ステップで取得した電磁鋼板の励磁磁歪の周波数スペクトルデータと、前記第3ステップで求めた前記変圧器の積層鉄心の振動応答関数の周波数スペクトルとから前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルを算出する第4ステップと、
前記第1ステップで取得した前記変圧器の積層鉄心の騒音の周波数スペクトルと、前記第4ステップで算出した前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度を求める第5ステップと、
前記特定の値Gを前記所定範囲内で変更して、前記第3ステップから前記第5ステップを繰り返し、前記一致度が極大となる特定の値Gを決定する第6ステップと、
を含むことを特徴とする変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法。 - 応力と歪みとの関係を行列表示で表した構成式を使用して鋼板を積層した変圧器の積層鉄心の振動解析を行うに際し、前記構成式中の弾性マトリックスに含まれる前記変圧器の積層鉄心の積層方向を含む二面における横弾性係数が前記積層鉄心を構成する複数(n個)の部位ごとに異なっている当該複数(n個)の異なる積層方向を含む二面における横弾性係数を決定する変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法であって、
振動解析の対象となる前記変圧器の積層鉄心の励磁騒音を測定して求めた騒音の周波数スペクトルを取得する第1ステップと、
前記変圧器の積層鉄心を構成する電磁鋼板と同じ電磁鋼板の励磁磁歪の周波数スペクトルデータを取得する第2ステップと、
振動解析の対象となる前記変圧器の積層鉄心について、前記複数(n個)の異なる積層方向を含む二面における横弾性係数をそれぞれ所定範囲から選定された特定の値G1、G2、・・・、Gnの組み合わせとして振動応答解析を行い、この特定の値G1、G2、・・・、Gnの組み合わせに対する前記変圧器の積層鉄心の振動応答関数の周波数スペクトルを求める第3ステップと、
前記第2ステップで取得した電磁鋼板の励磁磁歪の周波数スペクトルデータと、前記第3ステップで求めた前記変圧器の積層鉄心の振動応答関数の周波数スペクトルとから前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルを算出する第4ステップと、
前記第1ステップで取得した前記変圧器の積層鉄心の騒音の周波数スペクトルと、前記第4ステップで算出した前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度を求める第5ステップと、
前記特定の値G1、G2、・・・、Gnの値をそれぞれ前記所定範囲内で変更して前記特定の値G1、G2、・・・、Gnの値の組み合わせを変更し、前記第3ステップから前記第5ステップを繰り返し、前記一致度が極大となる特定の値G1、G2、・・・、Gnの組み合わせを決定する第6ステップと、
を含むことを特徴とする変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法。 - 前記第5ステップで求める、前記第1ステップで求めた前記変圧器の積層鉄心の騒音の周波数スペクトルと、前記第4ステップで算出した前記変圧器の積層鉄心の励磁振動の周波数スペクトルとの一致度の評価方法が、コサイン一致度であることを特徴とする請求項1又は2に記載の変圧器の積層鉄心の弾性マトリックス決定方法。
- 応力と歪みとの関係を行列表示で表した構成式の弾性マトリックスに、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の弾性マトリックス決定方法で決定した横弾性係数を組み込んで鋼板を積層した変圧器の積層鉄心の振動解析を行うことを特徴とする変圧器の積層鉄心の振動解析方法。
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