Vibroacoustic methodology for transformers air-borne noise computation based on FEM multiphysics approach

Transformers are used in several industrial, civil and military applications where power distribution is needed. They are one of the most important and expensive components of an electrical system for power distribution. One of the characteristics of transformers is the relatively high acoustic emission generated by different electromagnetic dynamic force, which represent a source of complaint. Moreover, noise emissions became of increasing importance in the last years due to the upcoming revision of eco-directives and other standards.. In the past years, a technology gap between research and engineering was suffered on this topic in Hitachi Energy. Many independent studies have been conducted by researchers but none of them has been converted in a ready-to-use methodology to be integrated in the engineering process. However, with the new laws coming and the pressing demand from customers, a methodology for noise emission computation became a must. For this reason, the objective of this work is to build a complete workflow for computing noise emissions of transformers based on a review of the numerous papers present in literature as well as on what have been studied by researchers in the company during the past years. Based on the nature of the problem, a multi-physic approach is adopted. The three involved physics, Electromagnetism, Structural Mechanics and Acoustics (air-borne noise) are explicitly modeled making use of Finite Element Method and one-way coupling. A model of an on-board traction reactor is developed to test the methodology and give to the readers more insight into the methodology. This methodology represents the starting point of a roadmap whose final output will be a technical standard containing design rules and instructions for running rapid and user-friendly acoustic simulations to be used by the Engineering. The bridge between the methodology and the redaction of a technical standard is represented by the creation of an automation on which automatic analyses on different transformers design will be run to perform sensitivity studies on affecting parameters. The reason of the choice of such a thesis from an Aeronautical Structural Engineering student is due to the many analogies and to the adoption of the same models and numerical tools as the ones used for structures in the aeronautical field. As for aeronautics, multi-physics is a peculiarity of transformers: as the aerodynamic loads are mapped onto the airplane structure to compute its response, electromagnetic loads are responsible for transformer structure excitation. Moreover, acoustics is a topic of increasing importance in the helicopter industry on which a background has been obtained during the course studies. Regarding modeling tools, Finite Element method, for which a strong background is provided from the Aeronautical Structural Engineering course, is used in both aeronautical and transformer fields. Same modeling concepts and analytical models are used. Finally, even if not discussed in this thesis, concepts as mass minimization, structural integrity under fatigue, impact events, fluid-dynamics are typical of transformers as well of airplanes, which makes the background of an aeronautical engineer well fitting in this field.

L'obiettivo di questo lavoro è costruire una metodologia basata sul Metodo degli Elementi Finiti per il calcolo delle emissioni sonore di trasformatori basata sulla revisione dei numerosi articoli presenti in letteratura e su quanto studiato dai ricercatori dell'azienda negli anni passati. Vengono studiati i principali meccanismi di origine e proposte tecniche di modellizzazione. Poiché ancora oggi alcuni dei meccanismi coinvolti nel rumore dei trasformatori non sono perfettamente compresi, questo lavoro dà anche un contributo alla ricerca. Sulla base della natura del problema, viene adottato un approccio multifisico. Le tre fisiche coinvolte, elettromagnetismo, meccanica strutturale e acustica (air-borne noise) sono esplicitamente modellati attraverso Elementi Finiti e accoppiamento unidirezionale. Viene sviluppato un modello di un reattore per trazione per testare la metodologia e fornire ai lettori maggiori informazioni sulla metodologia. Negli ultimi anni è stato subito un divario tecnologico tra ricerca e ingegneria su argomenti acustici relativi ai trasformatori in Hitachi Energy. Molti studi indipendenti sono stati condotti dai ricercatori, ma nessuno di questi è stato convertito in una metodologia pronta all'uso da integrare nel processo di ingegneria. Tuttavia, con l'arrivo delle nuove eco-direttive e la pressante richiesta da parte dei clienti, una metodologia per il calcolo delle emissioni acustiche è diventata una necessità. Questa metodologia rappresenta il punto di partenza di un percorso il cui risultato finale sarà uno standard tecnico contenente regole di progettazione per la minimizzazione del rumore dei trasformatori. Tuttavia, alcuni meccanismi e l'effetto di alcuni parametri non sono ancora chiari oggi. Alcuni tentativi di comprenderli sono stati fatti in questo lavoro e ulteriori ne saranno fatti negli sviluppi futuri per raggiungere una conoscenza profonda e per essere in grado di modellarli e controllarli. Il motivo della scelta di tale tesi da parte di uno studente di Ingegneria Aeronautica delle Strutture è dovuto alle numerose analogie e all'adozione degli stessi modelli e strumenti numerici utilizzati per le strutture in campo aeronautico. Come per l'aeronautica, la multifisica è una peculiarità dei trasformatori: cosi` come i carichi aerodinamici sono mappati sulla struttura dell'aeroplano per calcolarne la risposta, i carichi elettromagnetici sono responsabili dell'eccitazione della struttura del trasformatore. Inoltre, l'acustica è un argomento di crescente importanza nell'industria elicotteristica su cui è stato acquisito un background nel corso degli studi. Per quanto riguarda gli strumenti di modellazione, il metodo degli elementi finiti, per il quale viene fornito un solido background dal corso di ingegneria strutturale aeronautica, è utilizzato sia in campo aeronautico che dei trasformatori. Vengono utilizzati gli stessi concetti di modellazione e modelli analitici. Infine, anche se non discussi in questa tesi, concetti come minimizzazione della massa, integrità strutturale a fatica, eventi di impatto, fluidodinamica sono tipici dei trasformatori così come degli aeroplani. Il che rende il background di un ingegnere aeronautico ben calzante in questo campo.