基于ANSYS18.2对三根母排模型的电磁、热、结构多物理场耦合分析

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用ANSYS多物理场耦合分析方法对三根母排进行电磁场、热场和结构场分析的过程。首先，介绍了多物理场耦合分析在电机绕组端部、变压器绕组和单抗器等场景中的应用。接着，以三根母排为例，介绍了使用ANSYS 18.2软件进行电磁场、热场和结构场分析的步骤。最后，总结了本文内容，指出在Workbench平台中可以方便地进行多物理场的联合仿真。

一、写在前面

电气设备通常会存在多场共同作用的情况，如电机的绕组端部，变压器绕组，单抗器。这种情况下单场的耦合很难满足设计和仿真的需求，采用ANSYS多物理场耦合分析的方法，能够计算多场共同作用下设备的性能，满足设计选型的要求。

本例以三根母排为例，用ANSYS 18.2软件，对母排的电磁场，热场及结构场进行分析。

如图所示，为本例计算的三根母排模型。当母排通电时，根据欧姆定律，母排本身会发热；同时，根据法拉第电磁感应定律，母排与母排之间会有电磁力相互作用。这种由电磁、热、结构多场耦合分析，需要借助强大的ANSYS有限元分析软件对其进行精确仿真计算。

为了研究本例中的各个物理场，本例分别采用ANSYS旗下的Maxwell3D、Steady-State Thermal、Static Structural三个模型进行分析。

二、操作步骤

1、新建Workbench工程

打开ANSYS仿真软件，启动Workbench仿真平台，并点击保存图标或者【File】>【Save As…】保存文件，注意文件名和保存路径不能出现中文。

2、创建仿真流程

在Workbench上的Toolbox菜单中，依次拖拽Maxwell3D、Steady-State Thermal、Static Structural三个模型到工作台上，并连线建立数据联系。

3、添加材料

双击Engineering Data，进入到Workbench的材料设置界面，点击，进入材料库，选择，在其中找到Copper Alloy，点击其后面的添加按钮，将铜材料添加到工程文件中。关闭EngineeringData页签，返回Workbench操作环境中。

（一）电磁仿真分析

1、模型的导入及设置

① 双击Maxwell3D，进入到Maxwell操作环境。

② 点击【Modeler】>【Import】，在弹出的界面找到模型文件的位置，选择并打开。

③ 定义材料属性，按住CTRL键选择bar1、bar2、bar3，三个铜排，点击鼠标右键，选择Assign Material，进入到Maxwell的材料库。在材料库中选择Copper材料，点击确定，完成材料定义。同样的方式，将bounding_box材料定义为air。

（二）求解设置

① 变更求解类型为涡流场，点击【Maxwell 3D】>【Solution Type】，选择Eddy Current，点击OK。

② 右键点击操作窗口，切换为面选择模式。

③ 选中红色母排的小截面，点击【Maxwell 3D】>【Excitations】>【Assign】>【Current…】，进入定义电流源界面

④ 定义电流源的值为7070A，角度为0度，名称为in1

⑤ 同样的方法，分别定义另外两个铜排的入口，名称分别为in2和in3，电流均为7070A，相位角本别为120度和240度。

⑥ 分别选中绕组的另外三个面，定义绕组的出口，方法与入口相同，名称分别定义为out1、out2、out3，电流大小均为7070A，角度分别为0度，120度和240度。注意定义完成后点击【SwapDirection】，改变电流方向为流出截面。

⑦ 定义分析设置，点击【Maxwell 3D】>【Analysis Setup】>【Add SolutionSetup…】，点击确定完成设置

⑧ 点击，进行分析，完成后关闭Maxwell

（三）热仿真分析

1、更新Workbench数据

右键单击maxwell的solution，在下拉菜单中点击update，更新后流程如图所示。

 双击B模型，进入到热分析和结构分析操作界面。

2、热分析设置

① 修改几何模型和材料属性，在结构树种点开Geometry，逐一选择bar1、bar2、bar3，在对应的属性窗口中，定义材料为copper alloy

② 右键点击bounding_box，因其在热分析中不需要，将其抑制掉。

③ 导入Maxwell计算结果，在结构树中，右键点击【Import load】>【Insert】>【Heat Generation】，导入热生成数据。

④ 在属性窗口中选择所有体，右键点击【Import HeatGeneration】>【Import Load】导入数据。适当调节网格大小，导入数据更准确。

⑤ 切换为面选择模式，右键点击【Steady-State Thermal】>【Insert】>【Convection】，在属性窗口中选择所有的51个面，定义对流换热系数为10W/m^2·℃。

⑥ 右键点击【Solution】>【Insert】>【Thermal】>【Temperature】，结果提取温度场图。右键点击【Solution】>【Solve】进行求解，得到温度分布云图。

3、静力学仿真分析

导入热计算的温度场数据，右键点击【Static Structural】>【Import Load】>【Imported Body Temperatrue】>【Import Load】，导入热场计算出来的温度分布数据。

定义约束，右键点击【Static Structural】>【Insert】>【Fixed Support】，在属性窗口中选择扁导线的三个平面，如图所示。

右键点击【Solution】>【Insert】>【Deformation】>【Total】，结果提取结构形变场图。右键点击【Solution】>【Solve】进行求解，得到形变分布云图。

三、本章小结

本节内容以三个邻近的母排为例，依次计算了涡流电磁场，热场以及热应力场的结果。其中热场以电磁场计算的热生成为激励条件，结构场以热场计算结果为激励条件。在Workbench平台中可以方便的进行多物理场的联合仿真。

作者：白增程，仿真秀专栏作者（ID:化凡人生），硕士，沈阳工业大学，电机电器专业，擅长电机及相关产品的仿真分析，10年工程仿真经验。

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