熱損耗的案例
熱設計篇--電子器件的熱損耗理論計算（三）
今天我們來分享下無源器件熱損耗的計算。什么叫無源器件呢？上篇文章有提到過，簡單地講，需要電能（源）的器件叫有源器件，無需電能（源）的器件就是無源器件。無源器件一般用來進行信號傳輸，或者通過方向性進行“信號放大”，容、阻、感都是無源器件。
提到無源器件的熱損耗，不得不提到一位著名的科學家（如下照片），他是誰呢？
還沒猜中？再提示一下，是誰發現了這個規律：電流通過導體所產生的熱量和導體的電阻成正比，和通過導體的電流的平方成正比，和通電時間成正比。
對，他就是著名的焦耳，他發現了著名的焦耳定律。很多無源器件的熱損耗都是通過焦耳定律來計算的。下面我們來一一介紹：
（1）導線
連接導線的穩態熱損耗是由焦耳定律給出，即：
（2）電阻
電阻的穩態熱損耗也由焦耳定律給出，即：
（3）電容器
雖然電容器通常被認為沒有熱損耗，但實際上由于電容器內部也有阻抗，因而也會產生熱損耗。正弦波激勵的電容器熱損耗的計算式為：
（4）電感器和變壓器
電感器和變壓器的熱損耗的計算方法與電阻類似，即：
以上就是今天分享的無源器件熱損耗理論計算。實際工程應用中，很多熱損耗是可以從規格書里查到的，如果查不到，可以用這些理論公式計算。
展開 熱設計篇--電子器件的熱損耗理論計算（一）
電子器件的耗散功率（俗稱熱損耗）是決定熱仿真精確度的重要參數，也是電子產品熱設計的基礎。熱損耗可以通過試驗測量或者理論計算的方法確定。本文會連載幾篇介紹幾種常見電子器件熱損耗的理論計算方法，供諸君參考使用。
電子器件產生的熱量是其正常工作時必不可少的副產物。當電流流過半導體或者無源器件時，一部分功率就會以熱能的形式散失掉，這部散失掉的功率稱為熱損耗，計算公式如下：
如果電壓或者電流隨著時間變化，那么熱損耗由平均熱損耗給出，可以用下面的公式表示：
當然上面熱損耗的公式是一個籠統的公式，實際上對于不同的電子器件，公式都不一樣。后續我們會分別介紹有源器件CMOS、JunctionFET、MOSFET和無源器件導線、電阻、電容器、電感器和變壓器等熱損耗的理論計算公式。
展開 電子器件的熱損耗理論計算（二）
今天我們來分享一下典型有源器件的熱損耗理論計算方法。在正式介紹之前，先普及一下兩個名詞。什么是有源器件？什么是無源器件？
簡單地講，需要電能（源）的器件叫有源器件，無需電能（源）的器件就是無源器件。有源器件一般用來信號放大、變換等，無源器件用來進行信號傳輸，或者通過方向性進行“信號放大”。容、阻、感都是無源器件，IC、模塊等都是有源器件。（或者說，需要電能才能顯示其特性的就是有源器件，如三極管。而不用電能就能顯示其特性的就叫無源器件）
（1）CMOS器件
雙極元件的熱損耗是一個頻率相關的常數。CMOS器件的熱損耗是頻率的一階函數和器件幾何尺寸的二階函數。CMOS器件的轉換功率占總熱損耗的70%~90%。轉換功率由下式確定：
晶體管門電路在轉換狀態時產生的短路功率占總耗散功率的10%~30%。為了確定短路時的熱損耗，必須知道晶體管的門電路數。短路功率的單位通常為【μW/MHz門（電路）】，則熱損耗為：
（2）面結型場效應管（JunctionFET）
面結型場效應管有三種工作狀態：開、關和線性轉換。當面結型場效應管處于開狀態時，熱損耗為
在線性轉換和關狀態時，熱損耗為VI。
（3）Power MOSFET器件
Power MOSFET的熱損耗由5部分電流損失組成：
Power MOSFET柵損失由電容性負載和一些電阻組成，則柵結構的耗散功率計算式為
以上就是今天分享的有源器件熱損耗理論計算。實際工程應用中，很多熱損耗是可以從規格書里查到的，如果查不到，可以用這些理論公式計算。
展開 COMSOL 助力聲學拓撲優化：如何引入熱粘性損耗？
今天，來自丹麥 GN Hearing 公司的特邀作者 René Christensen 與我們一起討論如何在微型聲學設備的拓撲優化中加入熱粘性損耗。
拓撲優化有助于工程中在特定先驗 目標的指導下，以更優的方式進行應用設計，拓撲優化主要應用于結構力學，在熱學、電磁學和聲學領域亦有所應用。直到去年，微觀聲學才出現在這個名單中。本篇文章介紹了一種包含熱粘性損耗的微觀聲學拓撲優化新方法。
標準聲學拓撲優化
之前一篇關于聲學拓撲優化的文章概述了相關的基礎理論，并列舉了數個案例。聲學描述采用亥姆霍茲波動方程。借此方程，我們可以對各種不同應用進行拓撲優化，比如揚聲器箱體、波導、室內裝飾、反射器布置和類似的大型幾何結構。
控制方程是標準的波動方程，材料參數通過密度 和體積模量 K 來指定。在拓撲優化中，密度和體積模量通過變量 進行插值。理想情況下，此插值變量采用二進制值：0 代表空氣，1 代表固體。不過，在優化過程中，它的值遵循插值公式，例如圖 1 的固體各向同性材料罰函數（solid isotropic material with penalization，簡稱 SIMP）模型。
圖 1：標準聲學拓撲優化的密度和體積模量插值。為了在同一張繪圖中顯示兩個值，我們省略了單位。
該方法適用于那些可以忽略的熱粘性損耗（靠近壁面的聲學邊界層中）的應用。優化域可耦合到狹窄區域中，例如利用均質模型來描述的狹窄區域（這是壓力聲學、頻域 接口中的狹窄區域聲學 特征）。不過，如果發生熱粘性損耗的狹窄區域自身的形狀產生了變化，此優化算法便不再有效，波導橫截面變形便屬于此類情況。
熱粘性聲學（微觀聲學）
對于諸如助聽器、移動電話、特定超材料幾何結構等微觀聲學應用，聲學方程一般需要顯式添加熱粘性損耗，這是因為主要損耗發生在靠近壁的聲學邊界層中。
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儲能系統熱設計過程，涉及一個方面，本案例分別展開介紹：
1、熱負荷，考慮不同倍率的電芯發熱功率、電氣熱損耗、太陽熱輻射、隔熱設計等
2、空調制冷量校核，要注意工況點
3、循環風冷計算，此部分要區分系統PQ曲線和風機PQ曲線的區別
4、制冷溫度計算，作為后續熱設計的輸入
5、熱管理控制邏輯和熱測試驗證環節
電子器件損耗計算連載之---IGBT模塊熱損耗計算
***本文部分內來源于網絡和摘自：”專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程“ 部分章節中部分內容，如有侵權請聯系刪除！
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展開 電力設備干式變壓器散熱仿真APP
電力設備干式變壓器散熱仿真分析APP封裝了冷卻風扇安裝與運行參數、包封材料物性參數以及高中低壓線圈熱損耗等參數，可快速計算風冷條件、材料特性及熱損耗分布等改變的情況下對變壓器各部件換熱溫度及冷卻通道流場的影響。電力設備干式變壓器散熱仿真分析APP可查看固體部件表面溫度及熱通量云圖、流場中矢量、流線圖等工程中所需的計算結果。
電力設備干式變壓器散熱仿真分析APP是一款非常實用的工具，它可以幫助工程師們快速計算各種情況下變壓器各部件的換熱溫度及冷卻通道流場的影響。該APP封裝了包括冷卻風扇安裝與運行參數、包封材料物性參數以及高中低壓線圈熱損耗等參數，能夠快速計算風冷條件、材料特性及熱損耗分布等改變的情況下的影響。
在電力設備中，變壓器是不可或缺的設備之一。變壓器的正常運行與否直接影響到整個電力系統的穩定性和可靠性。在變壓器中，熱是一個非常重要的因素。如果變壓器過熱，會導致設備的壽命縮短甚至設備的損壞，嚴重時可能會引發事故。因此，熱管理對于變壓器的正常運行非常關鍵。
傳統的變壓器散熱設計通常采用經驗公式或直接模擬，這種方法往往耗時長、效果不佳。而使用電力設備干式變壓器散熱仿真分析APP，可以快速、準確地計算出變壓器各部件的換熱溫度及冷卻通道流場的影響，為變壓器的熱管理提供了有力的工具。
該APP不僅可以計算出固體部件表面溫度及熱通量云圖，還可以計算出流場中矢量、流線圖等工程中所需的計算結果。這些結果可以幫助工程師們更好地理解變壓器內部的熱流動情況，從而優化變壓器的散熱設計方案。
電力設備干式變壓器散熱仿真分析APP是一款非常實用的工具，它可以幫助工程師們快速、準確地計算出變壓器的散熱情況，為變壓器的熱管理提供有力的支持，有助于提高變壓器的性能和可靠性。
展開 加足馬力，全速前進
水在剛離開噴頭時是熱的，但到達淋浴者身上時就涼了很多。Nebia的工程師明白了他們必須解決熱損耗問題。
過去，Nebia采用的工程方法是先構建噴頭原型，并對其進行測試，然后再創建新的原型。該流程不僅成本高，而且非常耗時。新部件到位、部件裝配、新設計的徹底測試，可能需要幾周時間才能完成。
創新是Nebia的一貫承諾，因此管理團隊開始尋求設計與驗證流程的替代方法，以便在充分利用高級工程技術的同時，加速產品的發布速度。一旦 Nebia設計團隊開始利用ANSYS CFX和ANSYS Fluent的強大功能來解決熱損耗問題，相關情況立即就獲得顯著改觀。令人驚喜的是，一名工程師現在每天能研究12種設計迭代方案的熱性能，再也不必針對單個原型設計耗費整整一周的時間僅為進行一次物理測試。
熱損耗：一連串的設計挑戰
Nebia的工程團隊創建了一款可改變市場競爭格局的淋浴噴頭系統，能在奢華的感受與顯著的環保優勢之間獲得完美平衡，從而通過一個易于安裝和使用的直觀套件實現美感、功能性與可持續性的全方位結合。
使用ANSYS的CFD解決方案，Nebia可以分析成百上千種噴頭設計變量的熱效應，例如噴嘴的噴水角度、水滴大小、水流的壓力和速度、噴嘴幾何結構，以及噴頭的內部水流等。
Nebia設計團隊發現，每一個因素都在熱損耗管理中發揮非常重要的作用。但是，這些設計因素也會影響淋浴體驗的其它重要方面，因此公司的工程團隊必須做出一系列的設計權衡。
例如，較大的液滴尺寸也許會更有效地保持熱能，但可能對人體的撞擊力度過大，無法保持品牌所堅持的霧一般的淋浴效果。此外，這可能還會消耗過多的水量，無法達到Nebia嚴格的節水目標。同樣，較快的噴水速度還能減少熱損耗，但會給其它性能帶來負面效果。
展開 電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
圖6 電磁熱耦合載荷傳遞量類型圖
04
仿真結果
電磁場計算結果
INTESIM計算得到線圈的電流密度如圖7所示。
圖7 線圈的電流密度
INTESIM計算得到鍋體底部的渦流密度如圖8所示。
圖8 鍋底的渦流密度
電磁爐的鍋體底部熱損耗如圖9所示。
圖9 鍋體底部熱損耗
熱場計算結果
查看整體的溫度分布如圖10所示。
圖10 整體的溫度分布
查看鍋體底部的溫度分布如圖11所示。
圖11 鍋體底部的溫度分布
查看陶瓷的溫度分布如圖12所示。
圖12 托盤的溫度分布
05
總結
本案例使用INTESIM軟件，基于渦流場分析、熱場分析和非匹配網格映射插值等功能，實現了電磁-熱耦合分析求解。仿真計算得到的熱損耗和溫度結果與對標軟件結果基本吻合。本案例驗證了INTESIM多物理場仿真模塊中的電磁-熱耦合仿真功能，對渦流場分析和熱場分析及耦合仿真進行應用驗證，能夠為廣大用戶在電器領域中的電磁場、熱場耦合仿真應用提供可行方案。
文章來源: 英特仿真INTESIM
展開 讓聽障患者的世界更加清晰——使用 COMSOL Multiphysics 優化助聽器設計
為了計算窄長耳模管的粘滯損耗和熱損耗，我們使用了壓力聲學，頻域 接口中的狹窄區域聲學 特征，同時未考慮從耳模管到耦合器的阻抗突變造成的損耗。
值得注意的是，盡管狹窄區域聲學模型的計算成本較低，但是處理復雜幾何模型時，建議使用全熱粘性聲學模型。窄區域聲學模型對于橫截面恒定不變的波導是有效的。更多信息請參考 Acoustics Module User’s Guide。
比較仿真結果與現有測量數據
通過對比仿真結果與現有的測量數據，可以看出，模型在寬頻帶上生成了良好的預測結果。
以耦合器中麥克風處的響應為例。下圖比較了全模型結果、現成測量結果與不考慮粘滯損耗和熱聲損耗的模型結果。全模型與現有的測量結果良好吻合，但頻率大于 14 kHz 之后，二者結果不再一致。這是因為波長變得與簡化模型中缺失的結構（例如麥克風的防護網）的長度尺度大小相等。此外在高頻下，集中參數模型不夠精確。還有一點很明顯：要獲得正確結果，必須加入熱粘滯損耗。
麥克風響應的對比圖，三個模型分別為包含熱損耗和粘滯損耗的模型、不包含上述損耗的模型和現有的測量數據。測量數據由美國伊利諾斯州的樓市電子公司提供。
下面是換能器的電輸入阻抗（實部和虛部）的頻率依賴性分析。結果顯示仿真結果和測量值高度吻合。
電輸入阻抗（實部與虛部）與頻率的函數關系。圖像對比了模型結果與現有測量結果。測量數據由美國伊利諾斯州的樓市電子公司提供。
我們還可以分析三個不同頻率（1200、3200 和 4600 Hz）下，耳模管和耦合器系統內的壓力和聲壓級分布。該模型的計算頻率與響應的前三個峰值相互對應。具體來講，它們分別與耳模管和耦合器系統的四分之一、二分之一和四分之三波長的諧振頻率相關。
三種不同頻率下的壓力分布（左）和聲壓級分布（右）。
展開 烤箱加熱流場仿真分析APP
<p>烤箱加熱流場仿真分析APP封裝了隔板間距尺寸參數、材料物性參數以及加熱管熱功率等參數，可快速計算結構局部尺寸、材料特性及熱損耗分布等改變的情況下對烤箱內部各部件換熱溫度及內部自然對流流場的影響。烤箱加熱流場仿真分析APP可查看固體部件表面溫度、烤箱內溫度分布等工程中所需的計算結果。</p><p class="ql-align-center"><span style="background-color: transparent;"><img src="https://pic4.zhimg.com/80/v2-c17e9480fd49ebbf464e81087fa28a7b_1440w.webp" height="555" width="639"></span></p><p>作為一名工程師，熟練掌握并應用仿真分析工具是必不可少的。在烤箱加熱領域，烤箱加熱流場仿真分析APP是一個非常有用的工具，可以幫助工程師快速計算結構局部尺寸、材料特性及熱損耗分布等改變對烤箱內部各部件換熱溫度及內部自然對流流場的影響。</p><p><span style="background-color: transparent;"><img src="https://pic3.zhimg.com/80/v2-8df4d85e086e5bab9c32f16256873932_1440w.webp" height="774" width="1341"></span></p><p>烤箱加熱流場仿真分析APP封裝了隔板間距尺寸參數、材料物性參數以及加熱管熱功率等參數，方便用戶根據實際情況進行輸入和修改。通過計算，用戶可以得到固體部件表面溫度、烤箱內溫度分布等工程中所需的計算結果。
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MEMS 器件的仿真優化---降低微鏡的阻尼損耗
為了在設計微鏡時節省時間和成本，工程師可以通過 COMSOL 軟件準確計算熱阻尼和粘滯阻尼，并分析器件的性能。
微鏡的廣泛應用
將微鏡想象成吉他上的一根弦，弦很輕很細，當你撥動它時，周圍空氣會抑制弦的運動，使它回到靜止狀態。
微鏡具有廣泛的潛在應用。比如，微鏡可用于控制光學元件，由于具有這種功能，它們在顯微鏡和光纖領域非常有用。微鏡常用于掃描儀、平視顯示器和醫學成像等領域。此外，MEMS 系統有時還將集成掃描微鏡系統用于消費者和通信應用。
HDTV 微鏡芯片近觀圖。
在開發微鏡致動器系統時，工程師需要分析其動態振動現象和阻尼，這兩方面都會極大地影響器件的運行。仿真提供了分析這些因素的有效方法，能夠以具有成本效益的方式及時、準確地預測系統的性能。
你可以結合使用結構力學模塊和聲學模塊的各種特征來實現 MEMS 的高級分析，這兩個模塊是 COMSOL Multiphysics 仿真平臺的附加產品。下面我們來看看振動微鏡的頻域（時諧）和瞬態分析。
對振動微鏡執行頻域分析
我們建立一個理想化系統模型，它由一個被空氣包圍的振動硅微鏡組成，硅微鏡的尺寸為 0.5 x 0.5 mm，厚度為 1 μm。此模型中的一個關鍵參數是穿透深度；即粘性邊界層和熱邊界層的厚度。在這些層中，能量通過粘性阻力和熱傳導消散。粘性邊界層和熱邊界層的厚度通過以下穿透深度比例表征：
其中， 是頻率， 是流體密度， 是動態粘度， 是熱傳導系數， 是恒壓熱容，是無量綱普朗特數。
對于空氣，當系統在 10 kHz 頻率（此模型的典型頻率）下被激勵時，粘性邊界層和熱邊界層的厚度分別為 22 μm 和 18 μm。這兩個厚度與幾何結構比例（如微鏡厚度）相當，這意味著必須考慮包含熱損耗和粘性損耗。
展開 仿真APP應用案例——電力設備干式變壓器散熱仿真分析
在輸電環節，它能夠將發電廠產生的低電壓提升為高電壓，以減少電能在長距離傳輸過程中的損耗；在配電環節，又能將高電壓逐級降低，適配各類用電設備的電壓需求，在城市電網、高層建筑、醫院、地鐵、機場等對防火安全要求較高的場所，干式變壓器成為了首選的電力轉換設備。例如，在城市的商業區，干式變壓器將高壓輸電線路的電壓轉換為適合商業店鋪、寫字樓等使用的低壓電，保障了各類電器設備的正常運行，是現代社會電力供應不可或缺的紐帶。
干式變壓器發熱隱患
盡管干式變壓器具有諸多優勢，但在運行過程中，其繞組和鐵芯會因電流通過和電磁轉換產生大量熱量。如果這些熱量不能及時散發出去，會導致變壓器內部溫度持續升高。過高的溫度會加速絕緣材料的老化，降低其絕緣性能，增加短路故障的風險，嚴重時甚至可能引發火災。此外，溫度升高還會使繞組電阻增大，進一步增加電能損耗，降低變壓器的運行效率。因此，有效的散熱對于干式變壓器的安全穩定運行至關重要。
散熱仿真助力電力系統安全穩定
散熱仿真為干式變壓器的散熱設計與優化提供了科學、高效的手段。通過建立精確的數學模型，模擬不同工況下變壓器內部的溫度分布和熱流傳遞過程，工程師能夠深入了解變壓器的散熱特性。利用散熱仿真，可以在設計階段就對變壓器的結構、散熱方式、冷卻介質等進行優化，提前預測并解決潛在的散熱問題，避免在實際運行中出現過熱故障。同時，散熱仿真還能為運行中的干式變壓器提供實時監測和故障預警，根據環境溫度、負載變化等因素，及時調整散熱策略，保障變壓器始終處于最佳運行狀態，大大提高了電力系統的可靠性和穩定性。
電力設備干式變壓器散熱仿真分析APP封裝了冷卻風扇安裝與運行參數、包封材料物性參數以及高中低壓線圈熱損耗等參數，可快速計算風冷條件、材料特性及熱損耗分布等改變的情況下對變壓器各部件換熱溫度及冷卻通道流場的影響。
展開 淺談大功率充電技術
但是還是需要統籌的規劃和布局，這一點我覺得日本人的做法是可以參考的，以政府統籌管理，OEM聯合成立公司負責運營和維護，不盲目的上；再看我們國內的做法也是沒有貿然的上大功率的樁，更多的是聯盟企業這種類似“校企”實驗試點，總結經驗，最后再出相關的標準，這一點比以前好很多，沒有上來就”頭疼醫頭”，而且我們也看見了一些OEM廠加入到對設施的投入和研究當中，這是一種比較好的現象；因為這個產業本來就是一個系統的行業，單方面的EVSE端做研究是不夠的；
大功率充電對于電纜和充電接口廠家的影響
現行的標準按照直流接口額定的電壓電流來計算250KW（1000V/250A)電纜直徑也至少70平，如果未來我們的充電電流最大到600A,這個是非常嚇人的，按照3.5/平的經驗來推算，電纜也要至少高達170平，這個么大的電纜是不可接受的，無論重量還是損耗、熱故障、折彎半徑等都不可接受，所以大電流帶來的熱損耗和問題還是比較多，所以我們需要降低電纜的熱損耗，目前比較流行的做法是采用液冷的方式，其原理沒有那么復雜，在電纜和充電之間設置一個專門的循環通道，通道內加入起散熱作用的冷卻液，通過動力泵推動液體循環從而把熱量帶出，但是要想把這一套做好絕沒有那么容易，因為涉及到的問題比較多，國內大多數從事這塊產品開發的人員知識儲備量還是不夠的，液冷不是個新事物，但是加到充電接口上，組合起來它就是新事物了；
上圖為PHOENIX的HPC
上圖為TESLA的HPC
國內目前已經有了很多廠家在做此產品，中航光電、星星充電等都推出過自己的液冷充電接口，國外的菲尼克斯、HS等也都有自己的產品，其實說到底都是對熱的管理，我記得以前做直流充電開發，就在思考怎么把T-S加到DC的contact上，目的其實都是希望為了能夠實時的檢測溫度的變化，從而第一時間發出指令，因為你的
展開 多物理場仿真助力精確評估并優化麥克風與換能器設計
電容式麥克風建模涉及到對膜片運動、膜變形、共振頻率以及粘滯與熱聲損耗進行模擬。由于麥克風尺寸小，縱橫比大，因此熱損耗和粘滯損耗會大大影響其性能。綜合上述因素，一個準確的模型必須包含大量細節。
4134 型麥克風的幾何模型顯示了簡化的扇形幾何中的網格。
為了保持精確度，同時縮短計算時間，研究人員在計算熱應力和共振頻率時利用了模型的對稱性。聲壓仿真可以采用相似的方法，但前提是聲音沿膜片法向入射。若聲波為非法向入射，則可以使用非對稱邊界條件。
完成了 4134 型麥克風的仿真驗證后，研究人員還使用了難以在現實中觀察到的參數對其他型號進行了模擬。例如，他們研究了通氣孔對麥克風測量低頻聲音的能力的影響。仿真讓 Brüel & Kj?r 公司能夠測試新型設計，并根據需求進行靈活更改。他們甚至可以具體案例具體分析，為客戶量身打造定制設備。
優化振動換能器的設計
除了改良麥克風設計之外，Brüel & Kj?r 的工程師還使用多物理場仿真對振動換能器設計進行優化與測試。他們的目標是創造一款擁有高內置電阻的設備，以適應惡劣的環境。為了實現這一目標，工程師必須設計出在所測振動范圍內沒有共振頻率的設備。所需振動范圍內的共振會破壞測量的準確性。
懸掛式壓電振動換能器的仿真結果。
為了保證裝置設計產生平滑的響應，研究人員嘗試了不同的材料和幾何組合。最終，通過增加一個機械濾波器，他們成功地設計了一款誤差范圍不超過 10％~12％ 的振動換能器，此數值完全在可接受的范圍內。
縮小誤差，完善測量
任何設備都不是完美的，但仿真打開了一條通向盡可能接近完美的通道。Brüel & Kj?r 的工程師可以在不同情況下迅速對新設計進行有效測試，獲得無法通過實驗確定的結果。仿真為企業提供了特別的信息優勢，不斷推出創新設計，從而在競爭中保持領先地位。
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