EMWorks を使用した変圧器の構造変形のモデリング

問題の説明

このアプリケーション ノートでは、EMS を使用して、高出力変圧器の電磁気的挙動と構造的挙動の両方を検討します。 EMS の AC 磁気ソルバーと構造ソルバーの両方を使用して、磁気と構造の結果を計算します。この解析では、外側タンクを保護するために使用される磁気シャントの影響を調査します。

図 1. 検討した変圧器の CAD モデル

構造モジュールに連成された EMS を使用して実行される電気構造解析は、貴重な磁気および構造を提供します。たとえば、磁場、電流分布、損失密度、力密度、機械的変位、および応力の結果の 3D プロットを提供します。また、インダクタンス、抵抗、電圧、電流、剛体力、コア損失、渦損失、ヒステリシス損失、巻線損失などの損失などのランプ量も計算します。

電磁的結果

シミュレーションは、短絡条件下で実行されます。 EMS の AC 磁気ソルバーを使用して、電磁ソリューションを生成します。変圧器コアの磁場の結果を図 2 に示します。

図 2. 磁場の結果、a) フル モデル - コンタープロット、b) 断面図 - コンタープロット、c) フル モデル - ストリームライン プロット

外部タンク内の渦電流の結果を図 3a)、3b)、および 3c)に示します。これらの結果は、磁気シャントの有無によるタンク内の誘導渦電流の違いを示しています。これらの磁気プレートは、渦電流と電磁力を低減することによってタンクを保護することが観察できます。図 4 には、磁気シールド内の渦電流分布のプロットが含まれています。

図 3. タンク内の渦電流の結果、a) 磁気シャントなし、b) 磁気シャントあり (非表示)、c) 渦電流のストリームライン プロット

図4 磁性板の渦電流

表 1 は、さまざまな条件下での変圧器の力の結果をまとめたものです。磁気シャントを追加すると、タンク内の力が減少することがわかります。ただし、シャントは巻線の力に大きな影響を与えません。

構造結果

上記の結果に加えて、EMS に付属する線形静的ソルバーへの連成により、次の構造結果が生成されます: 構造変位、機械的応力、歪み、反力、および安全係数。

図 5a) と 5b) には、変圧器のコアの機械的変位と応力のプロットがそれぞれ含まれています。最大変位は外肢で約 15 nm で、応力は最大値 6e4 N/m ²に達します。これらの機械的変形は、主にコアの磁歪力によって引き起こされます。

図 5. a) 機械的変位の結果 - スケール x 1M、b) 機械的応力 - スケール x 1M

循環電流は、特に短絡の場合、変圧器の巻線に高いローレンツ力を発生させます。これらの力は、巻線に変形を生じさせます。図 6a) と 6b) は、変圧器の巻線の機械的変位と歪みをそれぞれ示しています。最大変位は約 33 マイクロメートルです。変圧器の低電圧側に属する内側のコイルで最大の変位に達することに注目することは興味深いことです。

外側のコイルの変位は 19 ～ 21 マイクロメートルです。ただし、外側のコイルに発生する力は内側のコイルよりも大きくなりますが (表 1)、変位は内側のコイルの方が大きくなります。これは、コイルのサイズの違いによって説明できます。一次巻線 (外側の巻線) は、二次コイルよりも大きく、剛性と強度を高めることができます。また、一次巻線と二次巻線の変位の方向が異なることもわかります。

図 6. a) コイルの機械的変位 - スケール x 800、b) コイルの歪み - スケール x 800

図 7a) と 7b) は、それぞれ、磁気シャントがない場合とある場合の変圧器タンクの変位結果を示しています。磁気シャントがない場合、タンク内の変位は約 41 マイクロメートルであることがわかります。磁気シャントを使用した場合、この変位は 6 マイクロメートルと推定されます。前述のように、磁気シャントは外部タンクの磁力を減少させ、その結果、機械的応力と変形を減少させます。

変位結果のアニメーション プロットを図 8 に示します。

図 7. タンク内の機械的変位、a) 磁気シャントなし – スケール x 2000、b) 磁気シャントあり – スケール x 5000

図 8. 変圧器タンクの機械的変位のアニメーション (磁気シールドなし) – スケール x 2000

磁気シャントの機械的変位を図 9 に示します。磁気プレートの変形は、主に 2 ～ 5.6 マイクロメートルの範囲です。

図 9. 磁気シャントの機械的変位 – スケール x 10000

変圧器のタンクにおける機械的応力の結果を図 10 に示します。これらの結果は、磁気シャントの影響を裏付けています。それらは、外部タンク内の大きな機械的変位を遮蔽して防止する上で重要な役割を果たします。これにより、変形による振動や騒音を低減することができます。

図 10. タンク内の機械的応力、a) 磁気シャントなし - スケール x 5000、b) 磁気シャントあり - スケール x 5000

まとめ

このアプリケーションでは、構造ソルバーに連成された EMS を使用して、高電圧変圧器の機械的挙動を調べました。磁気量と構造量の両方が異なる条件下で計算されました。変圧器タンクを保護するための磁気プレートの効果が調査され、効果的であることがわかった。