電磁熱耦合計(jì)算探討五-CST篇
今天續(xù)寫一下電磁熱耦合的計(jì)算，借著一個(gè)最近的計(jì)算項(xiàng)目的名義探討研究下CST中低頻工作室的電磁熱耦合仿真方案和技術(shù)要點(diǎn)，圖片部分打碼請(qǐng)諒解。
本文通過計(jì)算這個(gè)項(xiàng)目探討用CST計(jì)算電磁熱耦合的方法、優(yōu)缺點(diǎn)。
先簡(jiǎn)單介紹下項(xiàng)目，模型當(dāng)做變壓器處理即可，線圈電流同向，通三角波電流，鐵心用軸向無取向硅鋼片疊成，求溫度分布。
大概的圖如下：
首先回顧下好久好久之前寫的電磁熱耦合仿真探討一、電磁熱耦合計(jì)算探討二--難點(diǎn)、電磁熱耦合計(jì)算探討三、電磁熱耦合計(jì)算探討四--完結(jié)，難點(diǎn)是材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、別熱熔、相對(duì)磁導(dǎo)率都是與溫度相關(guān)的。比熱容和相對(duì)磁導(dǎo)率在一定溫度下還會(huì)表現(xiàn)出和溫度非線性的關(guān)系。當(dāng)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)差距太大，計(jì)算方案是電磁場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，溫度場(chǎng)計(jì)算瞬態(tài)場(chǎng)。將電磁場(chǎng)的一個(gè)電周期內(nèi)的發(fā)熱功率計(jì)算出來，然后插值到溫度場(chǎng)，計(jì)算瞬態(tài)溫度場(chǎng)上升直到升溫比如10度，這時(shí)候材料屬性根據(jù)溫度的上升也重新修正，然后繼續(xù)插值過去計(jì)算溫度場(chǎng)，可以加入停止條件為溫度場(chǎng)不再上升停止，也可以不加就一直計(jì)算到總時(shí)間步。大致邏輯圖如下：
如果用Opera解決這次的項(xiàng)目，比起《電磁熱耦合計(jì)算探討的四》的項(xiàng)目的區(qū)別是：這次的輸入波形是三角波，電磁部分不適用穩(wěn)態(tài)求解。
Opera是個(gè)開放的平臺(tái)，辦法總比困難多，可能有這么幾種方法：
1：需要改下comi，將Opera的計(jì)算方案中的電磁導(dǎo)出發(fā)熱功率table的部分，變化為瞬態(tài)出場(chǎng)周期內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)的導(dǎo)出table再取個(gè)平均損耗得到的table文件。
2：將三角波激勵(lì)分解成多個(gè)穩(wěn)態(tài)解累加，還是要改comi但要注意，激勵(lì)頻率不同某些材料屬性也會(huì)變化。
3：找一個(gè)總損耗近似的穩(wěn)態(tài)電磁代替，畢竟是金屬傳熱，只要總損耗和分布大致保持一致，結(jié)果預(yù)期是絕對(duì)可接受的。
以上方案都可行，但是，我沒這么做。原因之一是我100%確定Opera可以考慮全部因素將上面的方案都實(shí)現(xiàn)的很好，原因之二是我忙（懶），畢竟公眾號(hào)文章都好久沒更了，不想去花時(shí)間驗(yàn)證這么一個(gè)100%確定的事情。
那好，咱們來看看CST能不能搞定這事，優(yōu)缺點(diǎn)是啥？畢竟CST是一個(gè)以全波方程高頻為主的軟件，他的使用習(xí)慣邏輯是否符合我們的需求呢？
讓我們用新手探索的方式展開介紹：
從第一步導(dǎo)入模型開始（當(dāng)然先使用模板，設(shè)置個(gè)單位不能搞錯(cuò)咯），我就要忍不住夸他了，哇塞，一大堆密密麻麻的格式，看著就舒服，參數(shù)化模型導(dǎo)入、EDA導(dǎo)入、STL帶網(wǎng)格模型導(dǎo)入、甚至連競(jìng)品的格式都支持都有。
用LFT時(shí)域求解器，建好線圈加個(gè)時(shí)間VS電流激勵(lì)，（部分?jǐn)?shù)值隱藏）：
然后得設(shè)置下鐵心的材料，這里可能會(huì)有兩種選擇，
1.用normal的非線性材料設(shè)置BH曲線，結(jié)合疊壓系數(shù)的考慮，可以很真實(shí)的描述硅鋼片的非線性磁特性及各向異性電導(dǎo)率：
注意這時(shí)的BH曲線是不能設(shè)置溫度相關(guān)的，是灰色的，只有頻域求解可以使用。
但是咱知道JH和BH是可以互換的，CST會(huì)默認(rèn)使用JH曲線的是硬磁材料是不考慮疊壓的（從疊壓系數(shù)是灰色就可看出來），JH可以和溫度相關(guān)，應(yīng)該很多人不習(xí)慣吧。
這時(shí)的電導(dǎo)率，是不能設(shè)置和溫度相關(guān)的，只能設(shè)置和時(shí)間或者用J VS E的形式描述。
2.另外還有一種可能的設(shè)置,不用normal類型材料，用Temp.depende類型
點(diǎn)開屬性設(shè)置會(huì)發(fā)現(xiàn)能設(shè)置溫度相關(guān)“線性”電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電數(shù)
熱材料屬性方面，熱導(dǎo)率和比熱容可以設(shè)置和溫度相關(guān)：
接下來看下CST計(jì)算電磁熱耦合內(nèi)置的幾種方式：
共三種：?jiǎn)蜗螂姶艧幔p向電磁-穩(wěn)態(tài)熱和雙向電磁-瞬態(tài)熱。
其中：
單向電磁熱支持：【時(shí)域、頻域、全波頻域、直流電】+【穩(wěn)態(tài)熱、瞬態(tài)熱、共軛熱】
雙向電磁-穩(wěn)態(tài)熱支持：【頻域、直流電】+【穩(wěn)態(tài)熱、共軛熱】
雙向電磁-瞬態(tài)熱支持：【頻域、直流電】+【瞬態(tài)熱】
結(jié)合項(xiàng)目，我們可以預(yù)估其溫度變化不會(huì)特別夸張，但是因?yàn)橛玫慕蛔冸姡蔅H曲線的磁密相應(yīng)導(dǎo)致的渦流變化還是很重要，所以放棄用線性溫度相關(guān)的Temp.dependent類型材料定義。缺陷是不考慮電導(dǎo)率的溫度變化，但這個(gè)可以根據(jù)最終溫度去手工迭代下。其他的熱材料屬性都設(shè)置和溫度相關(guān)。
咱先采用時(shí)域計(jì)算方案，所以用單向電磁熱即可。既然溫度不反向影響電磁材料了，那正好BH不能設(shè)置溫度相關(guān)也就無所謂了，本來這點(diǎn)溫度對(duì)BH曲線的影響也不是特別大。鐵心發(fā)熱由于鐵損引起的，CST內(nèi)置的流程邏輯是導(dǎo)出一個(gè)電周期內(nèi)的平均渦流損耗給到熱計(jì)算，也可以計(jì)算出總鐵損，但是不可以給到熱求解。這時(shí)就需要判斷下的磁滯損耗比起渦流損耗是否可以忽略，如果不能忽略也只能用在導(dǎo)入的時(shí)候用scale去根據(jù)磁滯損耗和渦流損耗的估算比例去修正下。
電磁部分大致這樣了，熱學(xué)里面的難點(diǎn)就是設(shè)置下鐵心表面的熱交換系數(shù)，有些經(jīng)驗(yàn)公式或者參數(shù)參考，一般5到25范圍，我第一次折中了下選的10。然后咱看下穩(wěn)態(tài)熱的結(jié)果，差不多260度左右：
再看看用瞬態(tài)熱耦合結(jié)果，也是260度左右（截圖250是我沒標(biāo)尺沒截好，因?yàn)楹竺娓牧藚?shù)了所以沒法再截圖了）：
然后咱切換到共軛熱求解器去耦合，這時(shí)候考慮了氣體以及使用了湍流模型了，就不需要表面換熱系數(shù)了。
這結(jié)果看著是不是更酷，可惜這時(shí)候發(fā)現(xiàn)溫度計(jì)算出來居然有350度左右，多了足足100度，看下表面散熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)都在5左右：
問題找到了，將之前穩(wěn)態(tài)熱和瞬態(tài)熱的表面換熱系數(shù)從10修正到5再看結(jié)果，穩(wěn)態(tài)熱：
瞬態(tài)熱：
都在335度左右。三種熱求解器可以比較完美的對(duì)上咯。共軛熱中的表面換熱系數(shù)處處不同，造成了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱的結(jié)果稍有區(qū)別。
可見單向電磁-熱耦合最佳方案就是，時(shí)域電磁+共軛熱的方法。此仿真方案與實(shí)際情況比忽略了一部分磁滯損耗（通過損耗比例可調(diào)節(jié)），電導(dǎo)率沒有考慮溫度變化（通過最終溫度迭代電導(dǎo)率），BH曲線沒考慮溫度影響（無能為力）。目前看該方法和實(shí)驗(yàn)校對(duì)是比較好的。
至此單向電磁熱耦合計(jì)算完了，然后可以嘗試把電磁部分改用等效頻域計(jì)算，使用雙向頻域電磁-穩(wěn)態(tài)熱，那么就可以使用BH曲線溫度相關(guān)了，也會(huì)是很好的一種方案，今天先戛然而止了。
對(duì)比OPERA完全開放想咋弄就咋弄但需要人做很多事，CST雖不能面面俱到，但是非常便捷高效，在用戶結(jié)合自己項(xiàng)目的實(shí)際情況選擇較好的方案時(shí)可以高效的得到非常好的結(jié)果。
