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Elektrothermische Simulation von parallelen stromführenden Drähten

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Anwendungen

Gebrauchte Werkzeuge:

Parallele stromführende Drähte

In diesem Beispiel wird die Fähigkeit zur Kopplungsanalyse in EMS anhand eines einfachen Beispiels für zwei parallele Drähte wie in Abbildung 1 dargestellt behandelt. Eine mit der thermischen Analyse gekoppelte transiente Magnetsimulation wurde gelöst. Diese Simulation ermöglicht es uns, die Übertragung der durch EM erzeugten ohmschen Erwärmung auf das Wärmefeld zu validieren.

CAD-Modell eines simulierten Beispiels

Abbildung 1 - CAD-Modell eines simulierten Beispiels

Die vorübergehende magnetische Analyse gehört zum niederfrequenten elektromagnetischen Bereich oder Bereich; dh Verschiebeströme werden vernachlässigt. Es berechnet zeitlich veränderliche Magnetfelder. Diese Felder werden typischerweise durch Strom- oder Spannungsstöße verursacht. Diese Art der Analyse kann linear oder nicht linear sein. Es geht auch auf Wirbelströme, Leistungsverluste und magnetische Kräfte ein.

Simulationsaufbau

Nach der Erstellung einer transienten Magnetstudie in Verbindung mit einer thermischen Analyse in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden:

  1. Tragen Sie für alle festen Körper das richtige Material auf
  2. Legen Sie die erforderlichen elektromagnetischen Eingänge an
  3. wenden Sie die erforderlichen thermischen Eingänge an
  4. Vernetzen Sie das gesamte Modell und führen Sie den Solver aus

Materialien

In der Tabelle 1 sind die Materialeigenschaften der Drähte aufgeführt.

Tabelle 1 - Materialeigenschaften

Komponenten/Körper Relative Permeabilität Elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit (W/m * K) Spezifische Wärme (J/Kg * K) Massendichte (kg/m ^ 3)
Drahtmaterial 1 5.00e + 7 390 385 8900

Elektromagnetische Eingänge

In dieser Studie wird an jeden Draht ein Impulsstrom in der gleichen Richtung angelegt. Abbildung 2 zeigt den Erregerstromverlauf des Impulses.

Aktuelle Form in jedem Draht
Abbildung 2 - Aktuelle Form in jedem Draht

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich. Abbildung 3 und 4 zeigen die Maschendetails und die endgültigen Maschen.

Maschendetails des Modells
Abbildung 3 - Maschendetails des Modells

Maschendrähte
Abbildung 4 - Maschendrähte

Elektromagnetisch-thermische Ergebnisse

Nach Abschluss des Setups werden durch einen erfolgreichen Durchlauf der transienten magnetischen Simulation in Verbindung mit der thermischen Analyse sowohl elektrische als auch thermische transiente Ergebnisse generiert. Die thermische Gesamtlösungszeit ist auf 0,03 Sekunden mit 0,002 Sekunden als Zeitinkrement eingestellt. In der folgenden Abbildung ist ein 3D-Diagramm der Gesamtstromdichte (angelegter + induzierter Strom) bei 0,006 Sekunden dargestellt.

Verteilung der Gesamtstromdichte
Abbildung 5 - Verteilung der Gesamtstromdichte

Der Feststoffverlust, der als Wärme in den beiden Drähten auftritt, hat dasselbe Evolutionsverhalten des Erregerstroms wie in Abbildung 6 gezeigt. Die Temperaturentwicklung folgt also auch der Variation des Feststoffverlusts wie in Abbildung 7 gezeigt. Die Ergebnisse stimmen gut überein [1]

Entwicklung des Feststoffverlustes in den beiden Drähten
Abbildung 6 - Entwicklung des Feststoffverlusts in den beiden Drähten.

Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zeit
Abbildung 7 - Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zeit

Fazit

EMS kann gekoppelte elektrothermische Probleme lösen, bei denen sowohl die magnetische Flussverteilung als auch die Temperaturverteilung untersucht werden können. Dies findet viele Anwendungen in der Hochspannungsenergieübertragung.

Verweise

[1]: William Lawson and Anthony Johnson: “A simple Weak-Field Coupling Benchmark Test of the Electromagnetic-Thermal- Structural Solution Capabilities Of LS-DYNA Using Parallel Current Wires “