电磁热耦合计算探讨五-CST篇

今天续写一下电磁热耦合的计算，借着一个最近的计算项目的名义探讨研究下CST中低频工作室的电磁热耦合仿真方案和技术要点，图片部分打码请谅解。

本文通过计算这个项目探讨用CST计算电磁热耦合的方法、优缺点。

先简单介绍下项目，模型当做变压器处理即可，线圈电流同向，通三角波电流，铁心用轴向无取向硅钢片叠成，求温度分布。

大概的图如下：

首先回顾下好久好久之前写的电磁热耦合仿真探讨一、电磁热耦合计算探讨二--难点、电磁热耦合计算探讨三、电磁热耦合计算探讨四--完结，难点是材料的热导率、电导率、别热熔、相对磁导率都是与温度相关的。比热容和相对磁导率在一定温度下还会表现出和温度非线性的关系。当电磁场和温度场的时间步长差距太大，计算方案是电磁场计算稳态场，温度场计算瞬态场。将电磁场的一个电周期内的发热功率计算出来，然后插值到温度场，计算瞬态温度场上升直到升温比如10度，这时候材料属性根据温度的上升也重新修正，然后继续插值过去计算温度场，可以加入停止条件为温度场不再上升停止，也可以不加就一直计算到总时间步。大致逻辑图如下：    

如果用Opera解决这次的项目，比起《电磁热耦合计算探讨的四》的项目的区别是：这次的输入波形是三角波，电磁部分不适用稳态求解。

Opera是个开放的平台，办法总比困难多，可能有这么几种方法：

1：需要改下comi，将Opera的计算方案中的电磁导出发热功率table的部分，变化为瞬态出场周期内多个采样点的导出table再取个平均损耗得到的table文件。

2：将三角波激励分解成多个稳态解累加，还是要改comi但要注意，激励频率不同某些材料属性也会变化。

3：找一个总损耗近似的稳态电磁代替，毕竟是金属传热，只要总损耗和分布大致保持一致，结果预期是绝对可接受的。

以上方案都可行，但是，我没这么做。原因之一是我100%确定Opera可以考虑全部因素将上面的方案都实现的很好，原因之二是我忙（懒），毕竟公众号文章都好久没更了，不想去花时间验证这么一个100%确定的事情。

那好，咱们来看看CST能不能搞定这事，优缺点是啥？毕竟CST是一个以全波方程高频为主的软件，他的使用习惯逻辑是否符合我们的需求呢？

让我们用新手探索的方式展开介绍：

从第一步导入模型开始（当然先使用模板，设置个单位不能搞错咯），我就要忍不住夸他了，哇塞，一大堆密密麻麻的格式，看着就舒服，参数化模型导入、EDA导入、STL带网格模型导入、甚至连竞品的格式都支持都有。

用LFT时域求解器，建好线圈加个时间VS电流激励，（部分数值隐藏）：

然后得设置下铁心的材料，这里可能会有两种选择，

1.用normal的非线性材料设置BH曲线，结合叠压系数的考虑，可以很真实的描述硅钢片的非线性磁特性及各向异性电导率：    

注意这时的BH曲线是不能设置温度相关的，是灰色的，只有频域求解可以使用。

但是咱知道JH和BH是可以互换的，CST会默认使用JH曲线的是硬磁材料是不考虑叠压的（从叠压系数是灰色就可看出来），JH可以和温度相关，应该很多人不习惯吧。

这时的电导率，是不能设置和温度相关的，只能设置和时间或者用J VS E的形式描述。    

2.另外还有一种可能的设置,不用normal类型材料，用Temp.depende类型

点开属性设置会发现能设置温度相关“线性”电导率、磁导率、介电数

热材料属性方面，热导率和比热容可以设置和温度相关：

接下来看下CST计算电磁热耦合内置的几种方式：

共三种：单向电磁热，双向电磁-稳态热和双向电磁-瞬态热。

其中：

单向电磁热支持：【时域、频域、全波频域、直流电】+【稳态热、瞬态热、共轭热】

双向电磁-稳态热支持：【频域、直流电】+【稳态热、共轭热】

双向电磁-瞬态热支持：【频域、直流电】+【瞬态热】

结合项目，我们可以预估其温度变化不会特别夸张，但是因为用的交变电，故BH曲线的磁密相应导致的涡流变化还是很重要，所以放弃用线性温度相关的Temp.dependent类型材料定义。缺陷是不考虑电导率的温度变化，但这个可以根据最终温度去手工迭代下。其他的热材料属性都设置和温度相关。

咱先采用时域计算方案，所以用单向电磁热即可。既然温度不反向影响电磁材料了，那正好BH不能设置温度相关也就无所谓了，本来这点温度对BH曲线的影响也不是特别大。铁心发热由于铁损引起的，CST内置的流程逻辑是导出一个电周期内的平均涡流损耗给到热计算，也可以计算出总铁损，但是不可以给到热求解。这时就需要判断下的磁滞损耗比起涡流损耗是否可以忽略，如果不能忽略也只能用在导入的时候用scale去根据磁滞损耗和涡流损耗的估算比例去修正下。

电磁部分大致这样了，热学里面的难点就是设置下铁心表面的热交换系数，有些经验公式或者参数参考，一般5到25范围，我第一次折中了下选的10。然后咱看下稳态热的结果，差不多260度左右：    

再看看用瞬态热耦合结果，也是260度左右（截图250是我没标尺没截好，因为后面改了参数了所以没法再截图了）：

然后咱切换到共轭热求解器去耦合，这时候考虑了气体以及使用了湍流模型了，就不需要表面换热系数了。    

这结果看着是不是更酷，可惜这时候发现温度计算出来居然有350度左右，多了足足100度，看下表面散热系数，发现都在5左右：

问题找到了，将之前稳态热和瞬态热的表面换热系数从10修正到5再看结果，稳态热：    

瞬态热：

都在335度左右。三种热求解器可以比较完美的对上咯。共轭热中的表面换热系数处处不同，造成了瞬态和稳态热的结果稍有区别。

可见单向电磁-热耦合最佳方案就是，时域电磁+共轭热的方法。此仿真方案与实际情况比忽略了一部分磁滞损耗（通过损耗比例可调节），电导率没有考虑温度变化（通过最终温度迭代电导率），BH曲线没考虑温度影响（无能为力）。目前看该方法和实验校对是比较好的。

至此单向电磁热耦合计算完了，然后可以尝试把电磁部分改用等效频域计算，使用双向频域电磁-稳态热，那么就可以使用BH曲线温度相关了，也会是很好的一种方案，今天先戛然而止了。    

对比OPERA完全开放想咋弄就咋弄但需要人做很多事，CST虽不能面面俱到，但是非常便捷高效，在用户结合自己项目的实际情况选择较好的方案时可以高效的得到非常好的结果。