مدل سازی خنک کننده همرفتی دستگاه های الکتریکی

یکی از مسائل اصلی دستگاه های برقی با توان بالا مدیریت حرارتی است. ما همراه با BLOCK Transformatoren-Elektronik GmbH ، مدلی را با استفاده از نرم افزار شبیه سازی COMSOL Multiphysics ایجاد کردیم که تمام جزئیات مهم را هنگام مدل سازی گرمایش دستگاه های الکتریکی پرقدرت در بر می گیرد. برای انجام این کار، ما مجبور شدیم از محاسبات با کارایی بالا (HPC) با مدل سازی ترکیبی استفاده کنیم . در اینجا، نحوه نزدیک شدن به این کار واقعی با نرم افزار COMSOL را مورد بحث قرار خواهیم داد.

مدلسازی مدیریت حرارتی: تنظیم تست

مجموعه آزمایشی ما شامل یک سیم پیچ مسی است که دور یک هسته آهنی چند لایه با قطعات پلاستیکی و آلومینیومی برای پایداری پیچیده شده است. یک فن معمولی کامپیوتر در یک متری آن قرار می گیرد. تلفات الکترومغناطیسی رخ داده و همچنین جریان سیال غیر همدما متلاطم در اطراف دستگاه باید محاسبه شود. هسته آهنی دارای یک شکاف هوا است که عمداً به منظور تجزیه و تحلیل تأثیر آن بر جریان های داخل سیم پیچ و قطعات آلومینیومی گنجانده شده است.

 

دستگاه سلف.

 

شماتیک تنظیم تست.

اول چیزهای مهم

مهندسان – به ویژه آنهایی که در مهلت های پروژه کار می کنند – همیشه به دنبال تعادل مناسب بین تلاش های محاسباتی (و مدل سازی) و دقت هستند. بنابراین، ایده خوبی است که با فکر کردن به یک ساده سازی مناسب شروع کنیم، زیرا نسبت ابعاد هندسه مدل بسیار چالش برانگیز است.

فاصله بین فن و دستگاه تقریباً یک متر است، در حالی که شکاف های داخلی بین سیم پیچ مسی حدود 0.1 میلی متر است که در نتیجه نسبت تصویر 10000 است. برای اینکه زمان پردازش را تا حد امکان پایین نگه داریم، یک روش زیرمدل سازی را انتخاب می کنیم. اولین مدل با هندسه ترانسفورماتور ساده شده برای محاسبه میدان جریان در مقیاس بزرگ در اطراف دستگاه استفاده می شود. به دلیل تقارن، فقط نیمی از هندسه مدل شده است. نتایج این مدل صادر شده و به عنوان شرط ورودی برای مرحله زیر استفاده می شود.

نمودار میدان سرعت را ساده کنید. این فیلد به عنوان یک شرط مرزی ورودی در مدل تفصیلی (در موقعیت نمودار برش) استفاده شد.

هندسه تفصیلی

هندسه دستگاه الکتریکی دقیق در نرم افزار SolidWorks® ساخته شده و از طریق ماژول CAD Import به COMSOL Multiphysics وارد شده است . فقط بخش کوچکی برای محاسبه جریان غیر همدما در مدل فرعی دقیق (حدود 400 میلی متر در 900 میلی متر) استفاده می شود. بخش الکترومغناطیسی باید برای یک دامنه کوچکتر (200 میلی متر در 200 میلی متر) حل شود.

مدل سازی هسته آهنی چند لایه

هسته آهنی به منظور کاهش جریان گردابی لمینیت شده است. ما از همان رویکردی که توسط TU Dresden & ABB توضیح داده شده است استفاده خواهیم کرد . این ماده همگن شده و با هدایت الکتریکی ارتوتروپیک مشخص می شود. این به ما این امکان را می دهد که به جای حل هندسی لایه بندی با همه صفحات کوچک، یک دامنه واحد و یک مش درشت تر را حفظ کنیم.

تلفات الکترومغناطیسی

با توجه به جریان متناوب در 500 هرتز، اثرات القایی در سیم پیچ (اثر پوست و مجاورت) باید حل شود. علاوه بر این، جریان های گردابی در صفحات آلومینیومی و هسته آهنی دستگاه را گرم می کند.

 

نمودار سطحی جریان های گردابی در صفحات آلومینیومی. شکاف هوا در هسته آهنی با رنگ قرمز مشخص شده است. بیشتر جریان ها نزدیک به این شکاف القا می شوند.

 

نمودار چگالی جریان را در داخل سیم پیچ مسی برش دهید. شکاف هوای درون هسته آهنی با رنگ قرمز نشان داده شده است.

به دلیل هیسترزیس، مقداری تلفات مغناطیسی نیز وجود دارد. این تلفات در مقایسه با تلفات جریان گردابی بسیار کوچک هستند و به صراحت حل نشده اند. جدول زیر تلفات مغناطیسی را به عنوان تابعی از چگالی شار مغناطیسی Q _mag = f(B) نشان می دهد. می‌توانیم به جای حل پسماند وابسته به زمان، از تابع درون‌یابی استفاده کنیم.

میدان سرعت و توزیع دما

حداکثر دمای دستگاه در قسمت پشت سیم پیچ به 125 درجه سانتیگراد می رسد.

 

نمودار ساده میدان سرعت و نمودار سطح توزیع دما.

 

نمای جایگزین از میدان سرعت.

بهترین انتخاب برای محاسبات با کارایی بالا Multiphysics

امروز وظیفه ما یافتن بهترین راه حل برای محاسبه طرح های حرارتی ترانسفورماتورها بود. در مورد BLOCK Transformatoren ، آنها پس از مقایسه عملکرد و نتایج چندین ابزار شبیه‌سازی، تصمیم گرفتند که COMSOL Multiphysics برای کاربرد آنها مناسب‌ترین باشد.

در پایان، این مدل شامل حل همزمان برای حداکثر 8 میلیون درجه آزادی (DOFs)، با استفاده از ترکیبی قوی از حل‌کننده‌های مستقیم و تکراری بود. حداکثر استفاده از حافظه (RAM) با 89 گیگابایت حافظه بود.

برای اینکه بتوانند مدل های بسیار پیچیده را حل کنند، بسته Ready-to-Go+ (RTG+) را با یک کلاستر محک برای عملکرد بهینه انتخاب کردند. با توجه به اینکه همه چیز برای شبیه سازی های پیشرفته در BLOCK تنظیم شده است، می توانیم انتظار داشته باشیم که محصولات آنها در آینده حتی به حد مجاز نزدیک تر شوند.

SolidWorks یک علامت تجاری ثبت شده Dassault Systèmes SolidWorks Corp است.