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公司一起开发了一个包含了模拟大功率电气设备的所有重要细节。为了运行此模型，我们必须利用包含混合建模的高性能计算。这篇博客，我们将讨论如何使用 COMSOL 软件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。我们设计的铁芯特意包含了一个气隙，用于分析它对线圈和铝部件内部电流的影响。
电感器装置
测试装置示意图。
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，最好在建模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 10,000。为了使计算时间尽可能短，我们选择了开发子模型的方法，我们建立的第一个模型对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，我们只建立了一半模型的几何结构。我们导出模型的模拟结果，并将其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。这使得我们可以在建模时保证铁芯为单一的整体域，并且避免使用较粗的网格，从而避免了建立每层薄铁芯叠片的几何结构来表征叠层。
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)。我们可以通过求解一个插值函数来表征磁滞损耗，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式和结果，最后一致认为 COMSOL Multiphysics 是最适合他们使用的。
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。
SolidWorks 是 Dassault Systèmes SolidWorks 公司的注册商标。
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