电缆通电时电动力、结构、温升的耦合仿真
电缆通电时电动力、结构、温升的耦合仿真
作者：范文哲 专注于ANSYS Workbench系列软件
电缆、导线和铜排在电气化产品当中是应用最多的零部件，在电网当中的电流相对于民用设备的电流值是大很多的。由于电流的产生，根据麦克斯韦方程则在导线周围会产生磁场，而由于洛伦兹力的作用，磁场会使导线之间发生吸引或排斥。另外，电缆在使用过程中大家可以发现有不同的横截面积，不同的横截面积是由于其单位长度下电阻的不同，导致其单位体积的发热量而不同，为了防止火灾的发生，因此国家有相关的标准针对不同的电流使用不同横截面的电缆。由于电磁力的产生和温度的考虑要求，所以在电气柜等电网设备的设计当中需要考虑铜排的电动力和结构变形，以及铜排的温升符合国家标准的要求。
ANSYS作为一个强大的耦合场分析软件，多个物理场的模拟分析可以很好的结合.ANSYS可以模拟电磁场、结构分析、温升分析等，本次采用ANSYS Workbench软件以两根铜排为例，来说明仿真电磁场的基本方法和原理，同时考虑电磁力对结构的影响，考虑铜排在电流的作用下其温升的影响。
1.模型建立
本次分析只考虑铜排的影响，因此模型根据实际情况，仅建立3根10mmx100mmx1000mm的铜排，间距为100mm，模型如图所示。三根铜排布置相互错开，如图所示
2.分析过程
电气柜、断路器、接触器和电源开关等设备根据标准要求需要考虑在电路发生短路时候的安全性，查看其电动力对结构的影响是否发生破坏，所以采用maxwell计算两根铜排的电磁力。将电磁力通过workbench平台导入到结构分析中，通过瞬态分析查看其铜排在电动力下的运动情况，另外可以考虑铜排的温度升高可以采用电磁分析中的Maxwell软件来计算铜排的发热量，将热量读取并在流体分析软件中模拟温升情况。workbench操作流程如图所示。
另外，在workbench平台中可以电磁和温升的耦合仿真，采用maxwell和fluent耦合的方式进行，设置流程如图所示，该效果可以查看空气流动和温度分布等所需的数据
3.电磁场分析
3.1设置方法
电磁分析需要考虑电流的空间分布和短时间内的电流情况，因此分析采用Maxwell中的瞬态电磁场分析，查看其受力情况
电磁力值的大小理论公式为F=BIL，其中B为导电体所在的空间磁场大小，I为导体的电流值，L为导体的长度，由于实际情况有相位差，因此两根导线分别输入为正弦电流和相差120°相位的电流。
由于该仿真为方法的验证，其电流值输入为假定值，具体需要根据实际情况考虑，另外短路电流并非三个相差120°相位的正弦电流，而是短路电流峰值逐渐降低的一个正弦，需要根据公式添加
I1=10000*sin(100Π*time)
I2=10000*sin(100Π*time+120°)
I3=10000*sin(100Π*time+240°)
设置电流值如图所示
设置在求解设置中设置相应的时间为20ms，设置如图所示
3.2电磁计算结果
在瞬态电流下，其电流的变化为正弦变化，所以其电磁、电流、热量均为正弦变换，结果如下
（1）在瞬态电流情况下其电磁场为变化过程，其磁场分布如图所示，由于网格划分比较粗糙，所以云图的边界位置并不圆滑，加密网格即可。
（2）在瞬态电流下的铜排电流如图所示
分析中设置了涡流效果，所以结果可以看到铜排当中电流在两侧比较集中，中间偏小，集肤效应的结果，另外，同时提取三相电流值随着时间变化的曲线如图所示
（3）铜排的发热量如图所示
分析中设置了涡流效果，由于集肤效应的原因，功率损耗会在两侧较大，中间偏小
（4）铜排受力如图所示
通电导线在磁场中受到电磁力，其结果随着电流的变换而变化。分别提取三根导线在X、Y方向的受力随时间变化的过程如图所示
三根导线在X方向的受力，结果可以看到其值的大小随着电流而不同
同样，三根导线在Y方向的受力随着电流而不同，在结构分析中可以考虑受力对结构强度的 影响。
4.结构动力学分析
由于电磁作用力，其铜排之间会有相互作用力，在结构瞬态分析中读取Maxwell电磁力电磁力，作为铜排加载的边界条件，将两侧固定，计算，读取的力结果如图所示，需要注意的是电磁和结构分析的时间步必须一致。
4.1计算结果
读取电动力，可以计算在不同时刻下的结构变形情况，Maxwell在ANSYS的结构分析中为插值计算，网格不需要匹配，但是网格越密，其插值计算结果越精确。
（1）三根铜排在电动力下的变形情况如图所示
（2）三根铜排在电动力的应力情况如图所示
在该电流下其铜排的变形量和应力值较小，因此铜排强度影响较小，而根据实际情况，短路电流的瞬时值会远远大于铜排的额定电流值，因此在电气设备中需要对铜排的合适位置进行固定，例如本次分析的中间位置需要考虑固定，以降低应力值。
5.温升计算
电气设备中需要考虑通电导体在短路电流下的的温升情况，所以采用相同方式将电磁的结果和瞬态温度的分析进行耦合，查看结果是否符合要求
温升的设置方法和结构分析类似，同样需要考虑时间步的对应一致，瞬态热分析在短时间内可以忽略散热的影响，仅仅需要考虑发热量和比热容的关系即可，采用公式：发热功率*time=cmT，即发热量全部转化为质量的温升
计算结果如图所示，通过温度结果可以看到温度在短时间内和电流功率分布一致，两侧温升较大，同时可查看温升和时间的关系如图所示。
6.稳态温升
导体在正常通电情况下根据标准需要考虑其稳态温升，该分析可以采用Maxwell的涡流分析获取功耗，如图所示
采用fluent中进行耦合场仿真，考虑周围空气的散热情况，自动计算空气的对流散热，最终计算的温升如图所示。通过流体动力学的方式其温度结果并且可以查看空气流动的方向和流通的速度。
ANSYS作为一款结构、电磁、温升、流体、耦合场分析软件在各行各业有着广泛的应用，而只要掌握其方法就可以在实际工作中对产品仿真产生事半功倍的效果。
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