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电动汽车驱动
★ 5.0
纳米晶高频变压器振动与噪声特性的仿真与实验验证
Simulation and Experimental Verification of Vibration and Noise Characteristics of Nanocrystalline High-Frequency Transformer
| 作者 | Pengning Zhang · Yajin Yang · Ze Liu · Ning Wang · Chengjian Li · Jian Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 高频变压器 振动噪声特性 多物理场耦合模型 实验验证 降噪方法 |
语言:
中文摘要
高频变压器(HFT)是电力电子变压器的核心部件,但高频变压器在正常运行过程中的振动和噪声问题较为严重。因此,本文对高频变压器的振动噪声特性进行了研究。首先,研究了高频变压器的振动机理,推导了引起高频变压器振动的电磁力模型,并建立了高频变压器的电磁 - 机械 - 声学多物理场耦合模型。然后,基于该模型研究分析了高频变压器在正弦波和方波激励下的振动和噪声特性。结果表明,当激励频率为 5 kHz 时,正弦波激励下的主要振动频率为 10 kHz。对于方波激励,主要频率为 10、20 和 30 kHz,声压为 26.5 Pa,超过了正弦波激励下的 12.9 Pa。最后,搭建了高频变压器的振动噪声实验平台对模型进行验证,并提出了高频变压器的振动噪声抑制方法,包括增加预应力和避免结构中存在气隙。研究结果为高频变压器的磁 - 机械 - 声学多物理场耦合及振动噪声抑制提供了理论和实验依据。
English Abstract
A high-frequency transformer (HFT) is the core component of a power electronic transformer, but the vibration and noise during normal operation of HFTs are severe. Therefore, this article investigates the vibration noise characteristics of HFT. Firstly, the vibration mechanism of HFT is studied, the electromagnetic force models causing HFT vibration are deduced, and the electromagnetic-mechanical-acoustic multiphysical field coupling model of HFT is established. Then, the vibration and noise characteristics of HFT under the excitation of sinusoidal and square wave are studied and analyzed based on the model. The results show that when the excitation frequency is 5 kHz, the dominant vibration frequency is 10 kHz for sinusoidal excitation. For square wave excitation, the dominant frequencies are 10, 20, and 30 kHz, with a sound pressure of 26.5 Pa, surpassing the 12.9 Pa observed under sinusoidal excitation. Finally, a vibration and noise experimental platform of HFT is built to verify the model, and vibration noise reduction methods for HFT are proposed, including increasing prestress and avoiding the presence of air gaps in the structure. The research results provide a theoretical and experimental basis for the magnetic-mechanical-acoustic multiphysical field coupling and vibration noise reduction of HFTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务角度来看,这项关于纳米晶高频变压器振动噪声特性的研究具有重要的工程应用价值。高频变压器是我司光伏逆变器、储能变流器及电力电子变压器等核心产品的关键部件,其振动噪声问题直接影响产品的市场竞争力和用户体验。
该研究建立的电磁-机械-声学多物理场耦合模型,为我司产品设计提供了重要的理论工具。研究发现方波激励下的声压(26.5 Pa)显著高于正弦波激励(12.9 Pa),这对我司开关电源拓扑设计具有直接指导意义。在户用光伏和工商业储能系统中,设备常安装在居民区或办公场所,噪声控制是客户关注的核心指标。该研究提出的增加预应力和消除气隙等降噪方法,可直接应用于我司产品的结构优化设计中。
从技术成熟度评估,该研究已完成仿真建模和实验验证的闭环,具备工程化应用基础。特别是在5 kHz工作频率下的振动特性分析,与我司中高频逆变器的工作频段高度契合。然而,将研究成果转化为批量生产工艺仍面临挑战,包括纳米晶材料的成本控制、预应力施加的工艺一致性,以及不同功率等级产品的适配性验证。
从战略机遇角度,这项技术可助力我司在高端市场建立差异化优势。随着分布式能源系统向高频化、高功率密度方向发展,低噪声高频变压器将成为产品升级的关键突破点,特别是在对噪声敏感的住宅储能和电动汽车充电桩领域,有望显著提升产品附加值和品牌形象。