電磁-熱雙向耦合的案例
電機CAE仿真解決方案
電機的虛擬設計與虛擬實驗主要包括電磁、結構、散熱三個方面。對于常規的電機設計方法，計算工作量非常大，只能得到各物理場的平均結果而難以獲得其分布，且很難考慮各物理場耦合的問題。
本文與大家分享某電機廠對于新開發的某款電機進行的CAE多物理場分析方法，其中涉及電磁分析、結構分析（強度、振動、噪聲等）和散熱分析(流體、熱)。通過分析，可以為電機廠商提供電機電磁、結構、噪聲、流場和溫度等一系列參數的分布情況，使開發人員能夠有針對性的進行改善，從而大大縮短研發周期，降低研發成本。
本項目分析流程如圖1所示：
圖1 電機CAE多物理場分析流程
一、 電磁分析
以電機的實際結構建立磁場有限元模型，基于電磁——熱雙向耦合建立軸向通風各部件的電磁場數學模型和熱傳導方程，通過電磁——熱雙向迭代計算得到磁密分布、電磁力等結果。某電機的氣隙磁場磁力線分布如圖2所示。
圖2 某電機的氣隙磁場磁力線分布
二、 結構分析
1. 應力及應變分析
通過電磁——結構以及熱——結構的耦合，對電機進行了整機結構分析（包括整機強度分析、定子與機座配合計算、吊環強度分析等）、整機模態分析和滑環強度分析。通過分析可以獲得電機的應力及應變分布，從而驗證電機強度是否滿足設計要求。
圖3 某電機三階模態振型
2. 振動分析
通過電磁分析得到定子齒部節點的徑向及切向電磁力，映射處理至電機結構的網格模型中，進行振動分析。通過分析可以獲得電機的振動分布，并確認是否滿足設計要求。
圖4 某電機振動位移云圖
3.
展開 作動器仿真設計解決方案
圖：采用Maxwell自帶的外電路編輯器實現斬波電流激勵瞬態仿真結果：位置波形、線圈電流和二極管電流波形
圖：基于瞬態電磁分析優選滿足負載力要求的設計方案
圖：基于瞬態電磁分析優選滿足閉合時間要求的設計方案
二、電磁、熱耦合分析
Maxwell瞬態電磁場仿真分析得到的線圈和鐵芯損耗，可通過ANSYS Workbench環境映射到ANSYS Mechanical或者ANSYS CFD（計算流體動力學）軟件Fluent中做熱分析。其耦合方式包括：電磁場分析得到的總損耗空間分布映射到Fluent熱模型，通過精確考慮復雜散熱環境，包括對流和傳導，直接計算各部件的溫升，并將溫度數據反饋回Maxwell中修改材料的溫度屬性，而后重新計算損耗，如此雙向耦合反復迭代，得到作動器線圈和鐵芯等部件穩態溫度；在Mechanical溫度場計算中采用簡單設置，即直接定義傳熱系數，或者此傳熱系數由Fluent計算得到，再通過電磁-熱瞬態熱性能和熱循環分析迭代多次后，得到作動器的穩態溫度，此流程的仿真計算速度要比在Fluent中直接計算溫升快，且仿真精度大大提高。
圖：Maxwell和Mechanical電磁-熱雙向耦合溫度分布（簡單設置的換熱系數 VS Fluent計算的換熱系數）
三、系統設計
作動器設計除了需要精確考慮其電磁和多物理域耦合特性外，還需要考慮其供電和控制電路集成。
展開 電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
01
案例背景
電磁爐是日常生活中常見的家用電器，它是利用電磁感應原理對食物進行加熱，電磁爐的托盤是陶瓷材料，交變電流在線圈中的產生磁場，電磁爐鍋底放到托盤上，鍋體底部切割磁力線產生渦流，從而使鍋體本身發熱，用來加熱食物。
本案例采用INTESIM-Multiphysics分析軟件，對電磁爐物體加熱模型進行電磁-熱耦合分析，首先建立渦流場分析，利用軟件的耦合模塊，模擬電磁生熱到熱場的物理量傳遞過程，查看整體的溫度分布，最終得到電磁爐渦流場生熱過程的溫度分布，及被加熱物體的溫升。
02
案例功能特點
案例所屬物理場：多物理場INTESIM-Multiphysics
案例功能：渦流分析、電磁-熱耦合、非匹配網格映射插值
分析類型：諧態分析、穩態分析
03
案例分析
網格模型
電磁爐有限元模型如圖1所示，電磁場網格與溫度場網格是兩套不同的網格，電磁場網格采用高階四面體單元，溫度場網格采用低階四面體單元，有限元模型如圖2所示。
展開 Ansys 電磁溫度雙向耦合避坑指南，解決你的 “場域協同” 難題
ANSYS集合了電磁、溫度、結構場的耦合分析，所以被廣大同學使用，那么就經常遇到耦合場的問題。
首先要明確耦合場是什么？
其實就是由于物理理論算法的原因，導致軟件不能計算電磁和溫度的協同關系，因為這是不同的理論系統，不能混為一談，所以就使軟件分為了電磁軟件，溫度場軟件將不同的領域進行相互關系合并計算的方法就是耦合場計算。
很多同學會遇到電磁和溫度場的耦合，在此強調一點，軟件之間的耦合都是結果的耦合，并非時間上的交互耦合。
單向耦合：電磁計算完畢后傳到到溫度場作為功率載荷來計算溫度結果，缺點是沒有考慮溫度會導致材料電阻率的變化。
雙向耦合：時間上交互式耦合，單向耦合后再將溫度改變的材料屬性傳遞到電磁，再進行下一次計算。
網上搜索發現很多雙向耦合，遺憾的是這些全部都不是實時的交互式耦合
雙向耦合都是結果的耦合，將電磁的結果傳遞到溫度場之后，計算完畢；溫度場返回到電磁場改變電阻率，重新計算
無論電磁分析是靜態、瞬態，都是將最后的電磁結果傳遞給溫度場，同樣，溫度場物理是穩態還是瞬態都是將最后一步的結果傳遞給電磁場，所以是結果的耦合，并非實時交互耦合。
那么怎么辦呢？找到一篇apdl命令，采用ANSYS的經典算法就能實現，感應加熱的案例，參考如下。
展開 
Maxwell IcePak 雙向耦合熱分析 ￥9.9
熱設計是隨著通訊和信息技術產業的發展而出現的，且越來越被重視。隨著設備性能的不斷提升和人們對于便攜化和微型化要求的不斷提升，設備的功耗不斷上升，而體積趨于減小，高熱流密度散熱需求越來越迫切 。
在電子設備中，熱一般是由電產生的，電流通過導體，由于電阻產生發熱，發出的熱量導致導體溫度升高，而一般導體的電阻率跟溫度成正相關，即導體越熱電阻越大，在電流不變的情況下，發熱功率也會變大，如此循環直到達到平衡。
Maxwell 和icepak的耦合仿真可以進行雙向數據交換，實現雙向耦合。電磁仿真將發熱功率傳遞給熱仿真作為功率輸入，熱仿真將溫度結果輸入電磁仿真更新導體的電阻率，電磁仿真按照更新后的電阻率重新計算熱功率，如此循環，直到達到平衡。
這里使用一個實例來介紹如何實現這個過程。
假設有三根母排，每根母排通過有效值為1000A的50Hz的交流電，相鄰兩相間的相位差為120°，考察這三根排在空氣中自然對流的情況下的溫升情況。
由于有集膚效應和臨界效應，電流在這三根排中是不均勻分布的，如下的電流密度矢量圖顯示
一般中間相的發熱功率相對其它兩相來說是最大的，將電磁計算的發熱功率映射到icepak中。 Icepak計算這三根銅排在空氣中的自然對流情況下的冷卻情況
再將icepak中的溫度映射回maxwell中
Maxwell 按照這個新的溫度計算對應的電阻率，從而得到新的發熱功率。
再將發熱功率映射給icepak, 如此往復，直到icepak中的溫度不再變化，完成迭代。
例子雖然簡單，但過程是完整的，在下方將會有完整的逐步的步驟演示。
展開 comsol三維電磁攪拌，熱-電磁-流體耦合 ￥100
<p>此<a href="https://www.yqgqt.org.cn/service/PlanarTransformer" rel="noopener noreferrer" target="_blank">電磁</a>攪拌模型為clem式電磁攪拌裝置，實現固體<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/2756" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流體</a>傳熱，<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/2756" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流體</a>流動和電磁場全耦合，下圖為<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/2756" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流體</a>攪拌效果的切面圖。
展開 電磁爐加熱水—電磁 熱 結構耦合分析
電磁爐加熱水—電磁 熱 結構耦合分析
ANSYS作為一個強大的耦合場分析軟件，其多個場的模擬分析可以很好的結合，下面以電磁爐加熱一碗水為例，模擬耦合場的經典應用.
注意：模擬中用到的分析數據包括電磁線圈頻率、電流、線圈圈數、導線面積、電流密度、材料參數和散熱系數等相關分析均為假設數據，真實數據請查閱相關資料或根據產品性能添加。
實例介紹：
電磁爐是應用電磁感應原理對食品進行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產生磁場，它利用高頻的電流通過環形線圈，從而產生無數封閉磁場力，當磁場那磁力線通過導磁（如：鐵質鍋）的底部，會產生無數小渦流（一種交變電流，家用電磁爐使用的是15-30KHZ的高
頻電流），使鍋體本生自行高速發熱，達到加熱食品的目的。
1.分析模型介紹
模型建立為一個底部圓環模擬線圈，其上一個平板模擬陶瓷板，其上鐵碗，碗中半碗水，為了便于網格劃分和后續的分析，將模型分割為對稱的4個部分如圖3所示.
2.分析過程
在Workbench中建立耦合場的分析流程，使用Magnetostatic建立磁場分析模塊，使用瞬態熱分析模塊讀取磁場分析的功耗，查看水升溫的時間，建立結構分析模塊讀取熱分析的溫度分布，來獲取結構相關的結果。
展開 電磁爐加熱水分析—電磁 熱 結構耦合分析
ANSYS作為一個強大的耦合場分析軟件，其多個場的模擬分析可以很好的結合，下面以電磁爐加熱一碗水為例，模擬耦合場的經典應用.
注意：模擬中用到的分析數據包括電磁線圈頻率、電流、線圈圈數、導線面積、電流密度、材料參數和散熱系數等相關分析均為假設數據，真實數據請查閱相關資料或根據產品性能添加。
實例介紹：
電磁爐是應用電磁感應原理對食品進行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產生磁場，它利用高頻的電流通過環形線圈，從而產生無數封閉磁場力，當磁場那磁力線通過導磁（如：鐵質鍋）的底部，會產生無數小渦流（一種交變電流，家用電磁爐使用的是15-30KHZ的高 頻電流），使鍋體本生自行高速發熱，達到加熱食品的目的。
圖2 電磁爐加熱基本原理
1.分析模型介紹
模型建立為一個底部圓環模擬線圈，其上一個平板模擬陶瓷板，其上鐵碗，碗中半碗水，為了便于網格劃分和后續的分析，將模型分割為對稱的4個部分如圖3所示.
2.分析過程
在Workbench中建立耦合場的分析流程，使用Magnetostatic建立磁場分析模塊，使用瞬態熱分析模塊讀取磁場分析的功耗，查看水升溫的時間，建立結構分析模塊讀取熱分析的溫度分布，來獲取結構相關的結果。
2.1電磁場分析
底板線圈使用電流密度添加電流模擬線圈電流，這樣在線圈上不會產生渦流效應導致的電流分布不均勻現象，其值為 I=單根導線電流*線圈圈數/線圈截面積，由于線圈為高頻交流電，根據電磁理論在碗底的鐵質體上產生渦流，靠渦流生成的電流來加熱碗底，并可以讀取相應的熱生成功率。
展開 煤層氣微波注熱的電磁-熱-流-固全耦合模型
本模型的首先通過介質損耗將電磁場與傳熱場聯立起來以實現微波注熱，這是一個雙場雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動耦合模塊、熱解吸效應、吸附膨脹效應建立起滲透率模型并將傳熱場、固體力學場及滲流場耦合起來，這是一個多場耦合過程；最終建立起一個電磁-熱-流-固全耦合模型。
煤儲層微波注熱的電磁-熱-流-固全耦合模型
利用 COMSOL 建立一個煤儲層模型，見圖 7-4，模型尺寸為 20 m×6 m，模型中間布置一個瓦斯抽采鉆孔（直徑為 0.075 m）；模型兩側布置兩個微波源，將微波源簡化為兩個矩形波導。
煤儲層微波注熱幾何模型
使用COMSOL5.6版本得到的幾個云圖如下：
煤儲層溫度云圖
煤儲層瓦斯含量云圖
煤儲層滲透率比值(k/k0)云圖
注：以上文字及部分圖片來自于論文《微波輻射下煤體熱力響應 及其流-固耦合機制研究》。
展開 Maxwell和FLUENT電磁熱流耦合
Step6：如【圖75】所示為共軛傳熱的實體與流場溫度分布云圖，從圖中可以看熱流耦合的溫度分布情況。
Step7：單擊工具欄中的 按鈕，在彈出的對話框中保持默認，單擊 OK。
Step8：在如【圖 76】所示的 Details of Streamline1 面板中作如下設置：
在 Start From 欄中選擇剛剛建立的 Plane 1；
在# of Points 欄中輸入 100，其余默認并單擊 Apply 按鈕。
Step9：如【圖77】所示為流速分布云圖。
Step10：關閉 CFD-Post 平臺。
Step11：返回到 Workbench 窗口，單擊 按鈕保存文件，然后單擊 按鈕退出。
來源： CAE愛聯盟
展開 Workbench電磁熱耦合分析（流程說明）
?第十步：耦合設置
右鍵單擊Imported Load(Maxwell2Dsolution)-insert-Heat Generation，這時左側會出現選擇模型對話框。
?第十一步：模型選擇
全選模型，好像不能框選，只能一個一個的選，尤其是繞組部分。選擇完成后點擊Apply。
?第十二步：耦合分析
點擊菜單欄中上的圖標Solve，開始進行分析，分析后如下圖。
永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
新能源電機電磁、磁熱、震動、噪聲多場耦合
27.新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合高級設計仿真培訓-.pdf
【ansys電磁實例-基礎】 workbench計算導體電-熱單向耦合
默認會把模型，網格連起來，并把結果連到set那里
7 進入熱分析里的set
在導體外表面加對流系數20，環境溫度22度。外表面加輻射，輻射率1，環境輻射，環境溫度22度
8 溫度計算結果
新能源電機電磁、磁熱、震動、噪聲多場耦合
尤其對變壓器電磁和磁熱仿真、電機電磁、磁熱和電磁振動噪聲仿真、耦合器電磁仿真、電磁銜鐵機構電磁仿真等具有豐富的項目經驗。
寧老師 力學博士，18年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，獲得專利11項，開發軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分分析、線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
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