电气设备散热仿真实例分享

大功率电气设备的一个主要问题是热管理。借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件，我们与  BLOCK Transformoren- Elektronik  公司共同开发了一个包含了所有重要细节的模型，用于模拟大功率电气设备传热。为了运行此仿真模型，我们不得不利用包含 混合建模 的高性能计算。这篇文章，我们将讨论如何使用 COMSOL 软件来完成这个真实的建模任务。

热管理仿真:测试装置

我们的测试装置包括一个周围缠绕着铜线圈的叠片铁芯，一些用于保持稳定性的塑料和铝部件。在距离铁芯 1m 远的地方放置了一个传统的计算机风扇。我们必须计算发生的电磁损耗以及设备周围的湍流非等温流体流动。我们为铁芯特意设计了一个气隙，用于分析它对线圈和铝部件内部电流的影响。

电感器装置

测试模型示意图。

首要工作

工程师，特别是那些有项目期限的工程师一直在寻找计算（和建模）的工作量和准确性之间的合理平衡。因此，最好在仿真开始时就考虑对模型进行适当的简化，因为这类模型在几何结构上的长宽比对计算相当具有挑战性。

风扇和设备之间的距离大约是 1m，而铜线圈之间的内部间隙大约是 0.1mm，故长宽比为 10000。为了使计算时间尽可能短，我们选择了开发子模型的方法我们开发的第一个模型对变压器几何结构进行了简化，用来计算设备周围的大尺度流场。由于模型具有对称性，我们只开发了模型的一半几何结构。我们将该模型的模拟结果导出后，作为下一个计算步骤的入口条件。

速度场的流线图。速度场被用作详细模型（在切片图的位置）的入口边界条件。

详细的几何结构

电气设备的详细几何结构是在 SolidWorks® 软件中建立的，并通过  CAD 导入模块 导入到COMSOL Multiphysics® 中。我们仅使用了详细子模型的一小部分（约 400mm×900mm）来计算非等温流。电磁部分需要求解的域更小（200mm×200mm）。

模拟叠片铁芯

采用叠片铁芯是为了减少涡流。我们将使用与  TU Dresden 大学和 ABB 公司相同的方法 来定义这个模型。我们将材料均质化，并定义了一个正交各向异性的电导率，这样我们就可以在建模时保证铁芯为一个单一的整体域，并且使用较粗的网格，从而避免了建立每层薄铁芯叠片的几何结构表征叠层。

电磁损耗

由于施加了 500Hz 的交流电，因此我们必须计算线圈中的电感效应（集肤效应和邻近效应）。此外，铝板和铁芯中的涡流会使设备发热。

铝板中涡流的表面图。铁芯中的气隙用红色突出显示。大多数感应电流是在这个间隙附近产生的。

铜线圈电流密度的切片图。铁芯中的气隙用红色突出显示。

由于磁滞现象，也存在一些磁化损耗。与涡流损耗相比，磁化损耗相当小，而且没有被明确求解。下表显示了磁化损耗与磁通密度的函数 Qmag = f(B)。我们可以使用一个插值函数求解表征磁滞损耗，而不是在瞬态研究中计算磁滞。

部分	电磁损耗
铜线圈	37.2W
铝，涡流	36.2W
叠片铁芯，涡流	0.02W
叠片铁芯，磁损耗	0.004W

速度场和温度分布

该设备线圈背面的最高温度达到了 125°C。

速度场的流线图和温度分布的表面图。

速度场的另一种视图。

多物理场高性能计算的最佳选择

今天，我们的任务是找到变压器热设计的最佳求解方案。在 BLOCK Transformatoren 公司的案例中，他们比较了几种仿真软件的处理方法和结果，最后一致认为 COMSOL Multiphysics 是最适合的。

最后，这个模型涉及同时求解最多 800 万个自由度，使用了直接和迭代求解器的强大组合。内存的使用最高达到 89GB。

为了能够求解高度复杂的模型，他们选择了具有基准集群的 Ready-to-Go+(RTG+) 软件包，以获得最佳性能。有了 BLOCK 公司为高级仿真准备的所有设置，我们可以期待他们的产品在未来达到更高的性能极限。

文章来源COMSOL