電纜通電時電動力、結構、溫升的耦合仿真

作者：范文哲 專注于ANSYS Workbench系列軟件

電纜、導線和銅排在電氣化產品當中是應用最多的零部件，在電網當中的電流相對于民用設備的電流值是大很多的。由于電流的產生，根據麥克斯韋方程則在導線周圍會產生磁場，而由于洛倫茲力的作用，磁場會使導線之間發生吸引或排斥。另外，電纜在使用過程中大家可以發現有不同的橫截面積，不同的橫截面積是由于其單位長度下電阻的不同，導致其單位體積的發熱量而不同，為了防止火災的發生，因此國家有相關的標準針對不同的電流使用不同橫截面的電纜。由于電磁力的產生和溫度的考慮要求，所以在電氣柜等電網設備的設計當中需要考慮銅排的電動力和結構變形，以及銅排的溫升符合國家標準的要求。

ANSYS作為一個強大的耦合場分析軟件，多個物理場的模擬分析可以很好的結合.ANSYS可以模擬電磁場、結構分析、溫升分析等，本次采用ANSYS Workbench軟件以兩根銅排為例，來說明仿真電磁場的基本方法和原理，同時考慮電磁力對結構的影響，考慮銅排在電流的作用下其溫升的影響。

1.模型建立

本次分析只考慮銅排的影響，因此模型根據實際情況，僅建立3根10mmx100mmx1000mm的銅排，間距為100mm，模型如圖所示。三根銅排布置相互錯開，如圖所示

2.分析過程

電氣柜、斷路器、接觸器和電源開關等設備根據標準要求需要考慮在電路發生短路時候的安全性，查看其電動力對結構的影響是否發生破壞，所以采用maxwell計算兩根銅排的電磁力。將電磁力通過workbench平臺導入到結構分析中，通過瞬態分析查看其銅排在電動力下的運動情況，另外可以考慮銅排的溫度升高可以采用電磁分析中的Maxwell軟件來計算銅排的發熱量，將熱量讀取并在流體分析軟件中模擬溫升情況。workbench操作流程如圖所示。

另外，在workbench平臺中可以電磁和溫升的耦合仿真，采用maxwell和fluent耦合的方式進行，設置流程如圖所示，該效果可以查看空氣流動和溫度分布等所需的數據

3.電磁場分析

3.1設置方法

電磁分析需要考慮電流的空間分布和短時間內的電流情況，因此分析采用Maxwell中的瞬態電磁場分析，查看其受力情況

電磁力值的大小理論公式為F=BIL，其中B為導電體所在的空間磁場大小，I為導體的電流值，L為導體的長度，由于實際情況有相位差，因此兩根導線分別輸入為正弦電流和相差120°相位的電流。

由于該仿真為方法的驗證，其電流值輸入為假定值，具體需要根據實際情況考慮，另外短路電流并非三個相差120°相位的正弦電流，而是短路電流峰值逐漸降低的一個正弦，需要根據公式添加

I1=10000*sin(100Π*time)

I2=10000*sin(100Π*time+120°)

I3=10000*sin(100Π*time+240°)

設置電流值如圖所示

設置在求解設置中設置相應的時間為20ms，設置如圖所示

3.2電磁計算結果

在瞬態電流下，其電流的變化為正弦變化，所以其電磁、電流、熱量均為正弦變換，結果如下

（1）在瞬態電流情況下其電磁場為變化過程，其磁場分布如圖所示，由于網格劃分比較粗糙，所以云圖的邊界位置并不圓滑，加密網格即可。

（2）在瞬態電流下的銅排電流如圖所示

分析中設置了渦流效果，所以結果可以看到銅排當中電流在兩側比較集中，中間偏小，集膚效應的結果，另外，同時提取三相電流值隨著時間變化的曲線如圖所示

（3）銅排的發熱量如圖所示

分析中設置了渦流效果，由于集膚效應的原因，功率損耗會在兩側較大，中間偏小

（4）銅排受力如圖所示

通電導線在磁場中受到電磁力，其結果隨著電流的變換而變化。分別提取三根導線在X、Y方向的受力隨時間變化的過程如圖所示

三根導線在X方向的受力，結果可以看到其值的大小隨著電流而不同

同樣，三根導線在Y方向的受力隨著電流而不同，在結構分析中可以考慮受力對結構強度的 影響。

4.結構動力學分析

由于電磁作用力，其銅排之間會有相互作用力，在結構瞬態分析中讀取Maxwell電磁力電磁力，作為銅排加載的邊界條件，將兩側固定，計算，讀取的力結果如圖所示，需要注意的是電磁和結構分析的時間步必須一致。

4.1計算結果

讀取電動力，可以計算在不同時刻下的結構變形情況，Maxwell在ANSYS的結構分析中為插值計算，網格不需要匹配，但是網格越密，其插值計算結果越精確。

（1）三根銅排在電動力下的變形情況如圖所示

（2）三根銅排在電動力的應力情況如圖所示

在該電流下其銅排的變形量和應力值較小，因此銅排強度影響較小，而根據實際情況，短路電流的瞬時值會遠遠大于銅排的額定電流值，因此在電氣設備中需要對銅排的合適位置進行固定，例如本次分析的中間位置需要考慮固定，以降低應力值。

5.溫升計算

電氣設備中需要考慮通電導體在短路電流下的的溫升情況，所以采用相同方式將電磁的結果和瞬態溫度的分析進行耦合，查看結果是否符合要求

溫升的設置方法和結構分析類似，同樣需要考慮時間步的對應一致，瞬態熱分析在短時間內可以忽略散熱的影響，僅僅需要考慮發熱量和比熱容的關系即可，采用公式：發熱功率*time=cmT，即發熱量全部轉化為質量的溫升

計算結果如圖所示，通過溫度結果可以看到溫度在短時間內和電流功率分布一致，兩側溫升較大，同時可查看溫升和時間的關系如圖所示。

6.穩態溫升

導體在正常通電情況下根據標準需要考慮其穩態溫升，該分析可以采用Maxwell的渦流分析獲取功耗，如圖所示

采用fluent中進行耦合場仿真，考慮周圍空氣的散熱情況，自動計算空氣的對流散熱，最終計算的溫升如圖所示。通過流體動力學的方式其溫度結果并且可以查看空氣流動的方向和流通的速度。

ANSYS作為一款結構、電磁、溫升、流體、耦合場分析軟件在各行各業有著廣泛的應用，而只要掌握其方法就可以在實際工作中對產品仿真產生事半功倍的效果。

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