寫(xiě)在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場(chǎng)……這些術(shù)語(yǔ)是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術(shù)原理和演進(jìn)趨勢(shì)，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會(huì)”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動(dòng)駕駛、汽車(chē)、聲學(xué)、航空航天、材料等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)觸手可及。

電氣母線/電母線（electric busbar，也寫(xiě)為bus bar）是一種金屬棒、帶、管或桿，能以安全的方式將電流從一個(gè)地方傳導(dǎo)到另一個(gè)地方，并最大限度地降低能量損耗。在大電流配電、高壓設(shè)備和低壓電池應(yīng)用中，它們通常用于代替電線或電纜。大多數(shù)母線配置都不是絕緣的，以改善對(duì)流冷卻，并方便實(shí)現(xiàn)新的連接。由于大多數(shù)母線使用較高壓三相電源，因此許多電氣母線系統(tǒng)包含三個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)體，旨在安全高效地協(xié)同工作。

為電力應(yīng)用設(shè)計(jì)母線的工程師必須在空間、成本、安全性、電阻、電容和電感（分支間或附近導(dǎo)電材料之間）、安裝選項(xiàng)和冷卻之間取得平衡。這些通常相互沖突的要求，使得電氣、磁性、熱和結(jié)構(gòu)仿真對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程至關(guān)重要。

電氣母線的常見(jiàn)用途

工程師將母線應(yīng)用于電氣系統(tǒng)中，因?yàn)榕c電線或電纜相比，母線具有設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。一些最常見(jiàn)的應(yīng)用包括：

電力開(kāi)關(guān)設(shè)備

開(kāi)關(guān)設(shè)備在電力系統(tǒng)中用作開(kāi)關(guān)、熔斷器和斷路器，用于保護(hù)、控制和電氣隔離電氣設(shè)備，通常在發(fā)電設(shè)施或變電站使用。母線連接變壓器、熔斷器和工業(yè)機(jī)械等組件，還可以在設(shè)備內(nèi)部分配功率。

母線槽或母線槽系統(tǒng)

母線槽是包含母線或電纜的長(zhǎng)形外殼，用作從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的電源連接器。母線槽系統(tǒng)由包含母線的金屬管道或鑄造樹(shù)脂結(jié)構(gòu)組成。在電力公用事業(yè)應(yīng)用中，它們通常由嵌入混凝土中的管道構(gòu)成。

配電板

配電板用于建筑物中的電力分配，將輸入電源饋線分成單獨(dú)的電路。配電板可垂直或水平放置，電路通過(guò)分接頭連接。該系統(tǒng)會(huì)被放置在接地機(jī)柜中或較高處。

電池配電

母線是電動(dòng)汽車(chē)和電力存儲(chǔ)應(yīng)用中連接電池組的首選方式，因?yàn)槠渚哂袆傂院捅缀谓Y(jié)構(gòu)。與大多數(shù)應(yīng)用不同，電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)有時(shí)使用鋁制成的絕緣母線，而不是非絕緣銅母線，因?yàn)檫@樣可以減輕重量。

可再生能源系統(tǒng)

對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力發(fā)電和其他可再生能源系統(tǒng)而言，效率至關(guān)重要。母線可提供一種高效、可靠和穩(wěn)健的方法，用于在可再生能源應(yīng)用使用的設(shè)備內(nèi)傳輸和輸送電力，并具有更高的效率和靈活性。

工業(yè)機(jī)械

工業(yè)設(shè)備從母線配電板獲取電力，并在內(nèi)部使用母線從電源饋線到通向系統(tǒng)內(nèi)供電組件的饋線進(jìn)行配電。

電子設(shè)備

雖然我們通常認(rèn)為母線用于電力傳輸和大功率設(shè)備，但設(shè)計(jì)人員也會(huì)在電子設(shè)備中使用它們，尤其是在電力電子產(chǎn)品中。因?yàn)椋淅w薄的外形尺寸和輕量化設(shè)計(jì)，是解決封裝問(wèn)題或處理熱分布的理想選擇。

母線的類型

為滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了各種母線類型。母線可以按以下特征進(jìn)行分類：

材料

供應(yīng)商使用各種導(dǎo)電材料制造母線，但大多數(shù)使用銅或鋁。銅的導(dǎo)電性僅次于銀。鋁是導(dǎo)電性排名第四的金屬，但它比銅更輕，成本更低。鋁和銅母線通常都會(huì)電鍍錫、鎳或銀涂層，以減少腐蝕并提高整體性能。

形狀

由于趨膚效應(yīng)和母線的傳熱，母線的形狀會(huì)影響其導(dǎo)電性。在大多數(shù)情況下，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)表面積與橫截面面積的較高比率。下面列出了最常見(jiàn)的形狀：

• 剛性母線（扁平母線）：最常用的是細(xì)長(zhǎng)形狀的剛性母線，它們通常在制造時(shí)根據(jù)特定需求進(jìn)行塑形。
• 特殊橫截面母線：某些母線采用“U”、“T”或“L”形橫截面，以提供更大的彎曲剛度、增加表面積并提供更多的連接選項(xiàng)。
• 層壓或柔性母線：柔性母線是由薄金屬帶或箔片層壓而成。這不僅使母線更靈活，而且還會(huì)增加總表面積，從而提高導(dǎo)電性。
• 圓形母線：具有實(shí)心或空心圓柱形橫截面的母線，可用于需要更大剛性、旋轉(zhuǎn)或安裝靈活性的大電流應(yīng)用。
• 絕緣：區(qū)分母線類型的另一種方法，是看母線與周?chē)Y(jié)構(gòu)的絕緣方式。在某些情況下，母線會(huì)涂上一層絕緣聚合物，或者通過(guò)絕緣支架或隔離器進(jìn)行絕緣并固定到位。

載流容量和類型

單相母線有兩個(gè)電路：一個(gè)是帶電電路，另一個(gè)是中性電路。三相母線使用四個(gè)導(dǎo)體，其中，每相各一個(gè)導(dǎo)體，余下一個(gè)作為中性電路運(yùn)行。單相和三相母線處理交流電（AC）應(yīng)用，而有些母線則傳輸直流電（DC）。

母線的優(yōu)勢(shì)

工程師選擇采用母線的原因有很多，通常是出于成本、性能和安全性考慮。在大多數(shù)情況下，以下特征使得母線成為優(yōu)于其他配電方案的選擇：

• 簡(jiǎn)化配電：母線將許多電氣連接整合到一個(gè)中央集線器中，這就比復(fù)雜的布線更易于設(shè)計(jì)和維護(hù)。
• 幾何靈活性：母線幾乎可以構(gòu)建成任何形狀，適用于幾乎任何應(yīng)用。
• 連接簡(jiǎn)便：母線不需要復(fù)雜的電氣連接。如果需要供電，只需將一根導(dǎo)線連接到表面。
• 外形尺寸：母線的薄型拓?fù)溆兄谠讵M小空間中分配電力，比如在電池組、電子設(shè)備或工業(yè)機(jī)械中，都能看到這種結(jié)構(gòu)。
• 剛性：母線的結(jié)構(gòu)剛度消除了電纜管理的必要性。其可以提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，并連接更長(zhǎng)的距離。
• 成本效益：母線的成本低于布線方案，其安裝、維護(hù)和維修的成本也較低。
• 可持續(xù)性：由于母線主要由固體銅或鋁制成，因此易于回收利用。

仿真驅(qū)動(dòng)母線設(shè)計(jì)

從不同類型的母線可以看出，工程師在材料、配置、涂層和幾何結(jié)構(gòu)方面有許多選擇。多物理場(chǎng)仿真工具是設(shè)計(jì)流程的完美補(bǔ)充，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N快速準(zhǔn)確的方法來(lái)了解電磁場(chǎng)、熱源、傳熱和結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的相互作用。

工程師希望優(yōu)化母線設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最高效率、安全運(yùn)行并最大限度地降低成本。了解電路的布線情況后，他們就可以在諸如Ansys Maxwell?高級(jí)電磁場(chǎng)求解器等程序中創(chuàng)建低頻電磁模型，以計(jì)算電磁場(chǎng)、熱源以及由電阻、電容和電感引起的損耗。他們可以自動(dòng)優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)，或進(jìn)行假設(shè)研究，以確定母線中每個(gè)模塊的最佳形狀。

利用Ansys Maxwell進(jìn)行三相母線上的電流密度仿真

如果應(yīng)用涉及多個(gè)電路（如在三相應(yīng)用中），工程師可以使用Ansys Q3D Extractor?寄生提取電磁仿真軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行快速建模，并計(jì)算與頻率相關(guān)的電阻、電感、電容和電導(dǎo)（RLCG）寄生參數(shù)。

然后，部署Ansys Mechanical?結(jié)構(gòu)有限元分析軟件等通用結(jié)構(gòu)-熱工具，以查看熱應(yīng)力，確保所有固有頻率都不是工作電氣頻率的倍數(shù)，并評(píng)估整體系統(tǒng)的剛度。