基于有限元法的电气设备热场分析

基于有限元法的电气设备热场分析

电气设备是现代工业生产的重要组成部分，广泛应用于各行各业。由于电气设

备长时间运转会导致温度上升，而高温会使设备发生故障，从而影响生产效率，甚至导致事故。因此，了解电气设备的热场分布情况，分析其热建模和传热机理，是确保电气设备安全运行的必要步骤。

这时，有限元法成为一种有效的手段，可以模拟电气设备的热传递过程。其基

本思想是将复杂的物理过程分解成若干个简单的单元，由于每个单元内具有良好的连续性和交互性，可以构建出整个系统的数学模型，通过数值计算，得到模型的解析结果。

以下，本文将详细讨论有限元法在电气设备热场分析中的应用。

一、有限元法的基本原理

有限元法的基本思想是将复杂的物理过程离散成若干个单元，每个单元都是独

立的子区域，在这些单元内可以构建简单的数学模型。通过组装这些单元的有限元方程，可以得到整个结构的数学模型，通过数值计算求解，即可得到所需的结果，如温度场分布等。

具体来说，有限元法可以分为以下几个步骤：

（1）离散

将所研究的结构离散，划分成有限多个小单元，每个单元都有一组解析函数，

用于描述单元内的物理规律。

（2）建模

根据物理规律，建立起每个单元内的解析方程，并将它们组合为整个结构的有

限元方程组，同时考虑每个单元之间的协调关系，构造出结构的完整有限元方程组。

（3）求解

通过求解有限元方程组，得到整个结构的温度场分布、热流密度场分布、热应力分布等相关物理参数。

（4）后处理

根据求解结果，进行可视化处理，如在结构上绘制温度场分布图、热应力分布图等，将模拟结果物化为有用的工程信息。

二、有限元法在电气设备热场分析中的应用

针对不同种类的电气设备，热场分析的目标和方法有所不同。本文以变压器为例，具体探讨有限元法在电气设备热场分析中的应用。

1、模型构建

变压器由铁心、线圈、油箱等构成，在模型构建时，需要考虑这些组成部分的层次和复杂性。根据变压器的结构特点，可以将其离散为多个小单元，对于不同的单元，需要针对其内部结构和物理规律建立相应的解析方程，比如，在线圈内建立电场分布方程，结合奥姆定律，可以得到电阻发热通量在线圈内的热传递方程。

2、使用有限元软件模拟

有限元软件可以为电气设备热场仿真提供强有力的工具，如Ansys、COMSOL 等，其广泛应用于各种电气设备热场分析中。在仿真过程中，将模型构建好之后，将其导入有限元软件中，进行时间步骤性仿真，例如，利用时序仿真的方法，对仿真模型进行温度分布、电场分布、电流密度分布等物理参数的计算和分析。

3、分析仿真结果

仿真过后，需要对仿真结果进行分析，包括温度场分布、热流强度分布、热应力等。通过分析仿真结果，可以对变压器的热场分布进行评估，确定其热传递效率以及发热元器件和散热措施等的设计，从而保证电气设备的安全运行。

三、应注意的问题

1、模型准确性

对于仿真模型的构建，需要充分了解电气设备的物理结构，确定合理的模型尺

寸和单元离散方法。同时，仿真模型的准确程度和计算精度也会影响仿真结果的准确性，因此，需要付出额外的注意。

2、设计参数

仿真过程所采用的设计参数和实际参数之间的差异，往往会对最终的分析结果

产生影响。例如，在温度模拟中，实际环境中的风扇作用和绝缘材料的性能等因素，可能会对仿真结果产生不同的影响。

3、计算效率

有限元法对计算硬件配置要求较高，大型电气设备的仿真需要较强的计算性能，因此，在使用有限元软件进行仿真时，需要合理安排计算资源，并进行必要的计算优化。

四、总结

本文以有限元法在电气设备热场分析中的应用为主题，介绍了有限元法的基本

原理、电气设备热场建模流程，以及需要注意的问题。随着技术的进步，有限元法在电气设备热场分析中将会发挥越来越重要的作用。因此，继续开展有限元模拟技术的研究和应用，将有助于优化设计方案，提高电气设备的工作效率和可靠性。

基于ANSYS活塞有限元温度场的分析与研究

第一章绪论 1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义 内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。 随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。功率的提高必然带来一些负面的影响。如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。缸体对活塞的支撑力也增大。于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。 尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。 在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。 有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。它不但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学，流体力学，电磁学和声学等领域的问题。有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和想能分析的可靠依据。使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接的分析活塞零部件的就够强度问题。热负荷问题，而研究分析的结果与试验箱就和将验证试验进行的有效性。

开关电源热设计有限元仿真分析

开关电源热设计有限元仿真分析 摘要热设计是开关电源可靠性设计的重要环节。本文针对开关电源芯片的温度过高和多热源之间的相互影响导致电源可靠性下降的问题，基于有限元软件ANSYS对整个开关电源进行热分析，得到了稳态温度分布云图，进而通过电路布局改进，散热器参数设计，整体结构设计等几个方面进行优化设计，降低了开关电源的芯片温度，改善了整个开关电源的温度分布情况，提高了开关电源的可靠性，延长了寿命，具有较强的理论价值和工程应用意义。 关键词开关电源；热分析；ANSYS；热设计 0 引言 开关电源被广泛的应用于国防军事，工业自动化，家用电气等领域的电子系统中。随着开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度发展，用户对开关电源的可靠性设计提出了更高的要求。温升是影响开关电源可靠性的关键性因素，如何将热量高效快速的导出，成为电源工程师的首要任务[1]。热设计的好坏直接影响着开关电源的可靠性和寿命，因而热设计是开关电源可靠性设计的重要环节。 本文以一个工作于密闭电源盒的开关电源为例，利用有限元软件ANSYS对开关电源进行热设计，来提高整个开关电源的散热性能，使得开关电源的主要发热器件的温度控制在允许的范围内，保证开关电源安全可靠的运行。 1 开关电源的热分析 本文中开关电源为反激式，具有有源功率因数校正(APFC)环节，主要发热元件有开关管，整流二极管，大功率电阻，变压器与电感等[2]。 首先利用ANSYS分析工作在空气中开关电源的温度分布情况。 1.1 仿真边界条件和载荷说明 1）环境温度：25℃； 2）对流系数：6W/m·K； 3）载荷：器件的生热率（P为器件的发热功率，V是器件等效热源的体积）。 1.2 模型的简化处理 1）对于简化线圈模型来说，由于线圈在实际中是由一圈一圈的漆包线绕制的，而且这样的绕线也不规则，在模型建立中使用单一圆柱体来代替多圈的导体；

基于ANSYS的温度场仿真分析

基于ANSYS的温度场仿真分析 引言： 在工程领域中，温度场分布的仿真分析是一项重要的工作。温度场分 布的准确预测和优化设计对于许多工业过程和产品的设计和改进至关重要。在这里，我们将介绍一种基于ANSYS软件的温度场仿真分析方法。 一、ANSYS软件简介 ANSYS是一种广泛使用的通用有限元分析（FEA）软件。它提供了强 大的功能，可以进行多种物理和工程仿真分析。其中，温度场分布的仿真 分析是ANSYS的一个主要功能之一 二、温度场仿真分析的步骤 1.几何建模：使用ANSYS的几何模块进行物体的几何建模。可以通过 绘制二维或三维几何形状来定义和创建模型。 2.网格划分：对几何模型进行网格划分，将其划分为小的单元，以便 进行离散化计算。网格划分的质量直接影响到仿真结果的准确性和计算速度。 3.边界条件设置：根据具体的问题，设置物体表面的边界条件。边界 条件包括固定温度、传热系数、对流换热等。边界条件设置的准确与否对 温度场的分布有重要影响。 4.材料属性定义：为物体的各个部分定义材料属性，包括热导率、热 容量等。这些属性是模型中的重要参数，直接影响到温度场的分布。

5.求解和后处理：设置求解算法和参数，开始进行仿真计算。求解器 根据网格和边界条件，通过计算方程的数值解确定温度场的分布。计算完 成后，可以进行后处理，生成温度场分布的图表和报告。 三、温度场仿真分析的应用 温度场仿真分析在多个工程领域中得到广泛应用。以下是几个示例： 1.电子设备散热优化：通过温度场仿真分析，可以评估电子设备中的 热量分布，优化散热设计，确保电子设备的正常运行和寿命。 2.汽车发动机冷却系统：通过温度场仿真分析，可以预测汽车发动机 冷却系统中的温度分布，优化冷却器的大小和位置，提高冷却效果。 3.空调系统设计：通过温度场仿真分析，可以预测房间内的温度分布，优化空调系统的风口布置和参数设置，实现舒适的室内温度。 4.熔炼和混合过程优化：通过温度场仿真分析，可以预测熔炼和混合 过程中的温度分布，优化加热和冷却控制，提高生产效率和产品质量。 结论： 基于ANSYS的温度场仿真分析是一种强大而有效的工程工具。它可以 帮助工程师在设计和改进过程中预测和优化温度场的分布。通过合理的几 何建模、网格划分和边界条件设置，以及准确的材料属性定义，可以得到 准确可靠的温度场分布结果。这将有助于改进产品的设计和工艺控制，并 提高产品的性能和质量。

基于有限元法的电气设备热场分析

基于有限元法的电气设备热场分析 电气设备是现代工业生产的重要组成部分，广泛应用于各行各业。由于电气设 备长时间运转会导致温度上升，而高温会使设备发生故障，从而影响生产效率，甚至导致事故。因此，了解电气设备的热场分布情况，分析其热建模和传热机理，是确保电气设备安全运行的必要步骤。 这时，有限元法成为一种有效的手段，可以模拟电气设备的热传递过程。其基 本思想是将复杂的物理过程分解成若干个简单的单元，由于每个单元内具有良好的连续性和交互性，可以构建出整个系统的数学模型，通过数值计算，得到模型的解析结果。 以下，本文将详细讨论有限元法在电气设备热场分析中的应用。 一、有限元法的基本原理 有限元法的基本思想是将复杂的物理过程离散成若干个单元，每个单元都是独 立的子区域，在这些单元内可以构建简单的数学模型。通过组装这些单元的有限元方程，可以得到整个结构的数学模型，通过数值计算求解，即可得到所需的结果，如温度场分布等。 具体来说，有限元法可以分为以下几个步骤： （1）离散 将所研究的结构离散，划分成有限多个小单元，每个单元都有一组解析函数， 用于描述单元内的物理规律。 （2）建模 根据物理规律，建立起每个单元内的解析方程，并将它们组合为整个结构的有 限元方程组，同时考虑每个单元之间的协调关系，构造出结构的完整有限元方程组。

（3）求解 通过求解有限元方程组，得到整个结构的温度场分布、热流密度场分布、热应力分布等相关物理参数。 （4）后处理 根据求解结果，进行可视化处理，如在结构上绘制温度场分布图、热应力分布图等，将模拟结果物化为有用的工程信息。 二、有限元法在电气设备热场分析中的应用 针对不同种类的电气设备，热场分析的目标和方法有所不同。本文以变压器为例，具体探讨有限元法在电气设备热场分析中的应用。 1、模型构建 变压器由铁心、线圈、油箱等构成，在模型构建时，需要考虑这些组成部分的层次和复杂性。根据变压器的结构特点，可以将其离散为多个小单元，对于不同的单元，需要针对其内部结构和物理规律建立相应的解析方程，比如，在线圈内建立电场分布方程，结合奥姆定律，可以得到电阻发热通量在线圈内的热传递方程。 2、使用有限元软件模拟 有限元软件可以为电气设备热场仿真提供强有力的工具，如Ansys、COMSOL 等，其广泛应用于各种电气设备热场分析中。在仿真过程中，将模型构建好之后，将其导入有限元软件中，进行时间步骤性仿真，例如，利用时序仿真的方法，对仿真模型进行温度分布、电场分布、电流密度分布等物理参数的计算和分析。 3、分析仿真结果 仿真过后，需要对仿真结果进行分析，包括温度场分布、热流强度分布、热应力等。通过分析仿真结果，可以对变压器的热场分布进行评估，确定其热传递效率以及发热元器件和散热措施等的设计，从而保证电气设备的安全运行。

有限元在传热学中的应用

有限元在传热学中的应用 ——温度场的有限元分析 摘要：热分析在许多工程应用中扮演着重要角色。有限元法是热分析中常用，高效的数值 分析方法。利用有限元法可以求解传热学中温度场的重要参数，在材料成型中，在铸造这一块有着重大意义。 1、有限元法的应用： 有限元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法，首先在连续力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后也很广泛用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。在传热学中，如果导热物体的几何形状不规则，边界条件复杂，很难有解析解。解决这类问题的最好办法就是数值解法，而数值解法中最具实用性和使用最广泛的就是有限单元法。 2、有限元数值解法的基本思路： 将连续求解区域减走势只在节点处相连接的一组有限个单元的组合体，把节点温度作为基本未知量，然后用插值函数以节点温度表示单元内任意一点处温度，利用变分原理建立用以求解节点未知量（温度）是有限元法方程，通过求解这些方程组，得到求解区域内有限个离散点上的温度近似解，并以这些温度近似解代替实际物体内连续的温度分布。随着单元数目的增加，单元尺寸的减少。单元满足收敛要求。近似解就可收敛于精确解。 3、有限元数值解法的基本步骤 有限元法在工程实际中应用的广泛性和通用性，体现在分析许多工程问题是，如力学中的位移场和应力场分析，传热学中的温度场分析，流体力学中的流场分析，都可以归结为给定边界条件下求解其控制方程的问题，虽然各个问题中的物理性质不同，却可采用同样的步骤求解。具体步骤为（1）：结构离散。（2）：单元分析。（3）：整体分析。（4）：边界条件处理与求解。（5）：结果后处理。 有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推倒有限元方程式，求解有限元方程组，数值结果表述。 4、用于传热学的意义 有限元法作为具有严密理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，近年来，以由弹性平面问题扩展到空间问题，板壳问题。从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；它在工程技术中的作用，已从分析和校核扩展到优化设计。并和计算机辅助设计相结合，形成了完整的计算机辅助设计系统。它解决了传热学中边界条件复杂或呈非线性，有均匀内热源等传统方法无法求解的问题。 温度场方程

基于ANSYS的电气设备仿真分析研究

基于ANSYS的电气设备仿真分析研究 电气设备仿真分析是目前一个比较热门的研究领域，也是一个 十分重要的研究方向。电气设备仿真分析是利用计算机对电气设 备的工作原理和性能进行模拟和仿真的一种技术。在实际的工程 应用中，电气设备仿真分析可以为电气工程设计提供很好的帮助，在产品开发、设计方案确定、产品性能评估等方面均具有很大的 优势。 目前，针对电气设备仿真分析，市场上出现了很多种仿真软件，如ANSYS、PSCAD、SIMULINK、E-TAP等。其中，ANSYS是 领先的多物理场有限元分析软件，可以对多种复杂的电气问题进 行分析和求解。 首先，我们来了解一下ANSYS的基本原理和模型。ANSYS是 一种有限元分析软件，它的基本原理是利用数学方法求解复杂的 工程问题。ANSYS使用有限元法（FEM）来分析设计。它将需要 分析的物理系统划分成成千上万个小的元素，并通过对这些元素 进行数学建模和运算来计算整个系统的行为。ANSYS通过在不同 类型的元素上施加不同的约束和激励来模拟实际环境中的载荷和力。 接下来，我们再看看ANSYS在电气设备仿真分析中的应用。 电气设备仿真分析是ANSYS的重要应用领域之一。ANSYS可以

对电力系统和电力设备进行建模和仿真，包括变压器、电机、电缆、开关、继电器、柜体等。在ANSYS中，可以使用多种工具进行电气仿真，如磁场仿真、电场仿真、热仿真等。这些仿真可以 帮助工程师更快速准确地设计、分析和验证电力系统的各种元件。 以电机仿真为例，ANSYS可以对电机进行磁场仿真和电场仿真。其中，磁场仿真可以用于分析电机中的线圈、磁铁和铁芯之 间产生的交变磁场和涡流损耗等问题。而电场仿真可以用于分析 电机中导体的电流分布、电势分布和电场强度等问题。 另外，在电气设备的设计和研发过程中，ANSYS还可以进行 多种多物理场的耦合仿真。例如，在电气设备的设计和研发过程中，需要对设备进行机械和电热方面的仿真分析。ANSYS的耦合 仿真功能可以将机械、电磁和热力学仿真成果结合起来，同时考 虑多个物理因素的相互作用，从而更加准确地预测设备在实际工 作环境下的性能。 综上所述，基于ANSYS的电气设备仿真分析研究涉及面较广，应用领域也非常广泛。ANSYS作为领先的多物理场有限元分析软件，可以对多种复杂的电气问题进行分析和求解，从而有效地辅 助电气工程设计和研发工作。在未来的电力系统和电气设备的设 计和研发过程中，基于ANSYS的电气设备仿真分析分析将会起到越来越重要的作用。

电机电磁热耦合分析流程

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电力变压器的损耗与温升模拟分析

电力变压器的损耗与温升模拟分析 电力变压器是电力系统中重要的电力设备之一，主要用于变换电压并将电能传 输到不同的电力系统中。电力变压器在使用过程中，由于变压器的内部结构和电路因素等原因，会引起一定的电能损耗和产生一定程度的温升。这些问题不仅会影响到变压器的运行效率，同时也会影响到变压器的使用寿命以及相关设备的安全性能。因此，对于电力变压器的损耗与温升进行模拟分析，具有一定的理论和实际意义。 一、电力变压器的损耗模拟分析 电力变压器的损耗主要包括铜损和铁损。其中铜损是指由于变压器内部的导体 电阻引起的损耗，而铁损则是指由于变压器铁芯磁通交变引起的损耗。这些损耗会产生一定的热量，并导致变压器温升，从而对变压器安全性能产生影响。 在进行电力变压器的损耗模拟分析时，需要对变压器的各项参数进行测量和计算，以确定变压器的特性曲线和电功率因数等参数。同时，通过利用计算机仿真技术，建立相应的模型，进行模拟分析，确定变压器内部的电功率和热功率等参数，并进行参数优化。 二、电力变压器的温升模拟分析 电力变压器的温升主要是由于电力变压器内部产生的热损耗引起的。因此，电 力变压器的温升分析是评价变压器运行状况和安全性能的重要指标之一。 在进行电力变压器温升模拟分析时，需将变压器的各项性能参数以及附加装置 等因素纳入模型，建立模拟热场的数学模型，并基于数值方法对模型进行求解。此外，还需进行验证性分析，以确定模拟模型的可靠性和准确性。最后根据模拟结果进行判断和分类，确定具体的变压器运行状态。 三、电力变压器损耗与温升模拟分析方法

目前，对电力变压器的损耗与温升进行模拟分析主要采用有限元分析和计算流 体力学等方法。其中，有限元分析是一种较为常用的模拟方法，可用于分析变压器内部的电流和热流等参数，构建电场和热场的三维模型，并进一步优化分析变压器的工作过程。而计算流体力学方法则适用于研究变压器内部的气体流动等特殊情况。 在使用上述方法时，需要尽可能准确地获取变压器内部的状态参数，并建立尽 可能精确的模拟模型，同时提高计算效率，以加快模拟分析过程。此外，还需注意数据的可靠性和统计规律性等方面的问题，以确保模拟结果的真实可靠性。 四、总结 电力变压器的损耗与温升模拟分析是评价变压器运行状况和安全性能的重要途 径之一。在进行此类分析时，需要对变压器内部的各项参数进行完整的测量和计算，同时结合计算机仿真技术进行模拟分析，以确定变压器的内部状态，为变压器的长期稳定运行提供有力的支持。

有限元分析在电力设备设计中的应用

有限元分析在电力设备设计中的应用第一章简介 有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值计算方法，用于求解复杂结构的力学、热力学、流体力学等问题。在电 力设备设计过程中，有限元分析已经得到广泛应用。本文将会介 绍有限元分析在电力设备设计中的应用，包括电动机、变压器和 开关设备等领域。 第二章电动机 电动机是电力设备中最重要、最普遍的一类设备。在电动机的 设计过程中，有限元分析被广泛应用。有限元分析可以帮助设计 师预测电动机的性能，以及在实际运行中可能出现的问题。例如，通过有限元分析，可以计算电动机的电磁场分布、磁路饱和、电 动力学特性等，并优化电动机的设计。 此外，有限元分析还可以用于模拟电动机的热特性。在电动机 的运行过程中，温度是一个非常重要的参数。过高的温度可能导 致设备损坏或者寿命缩短。有限元分析可以模拟电动机的受热情况，分析不同工况下电动机的温度分布，以此来指导电动机的设 计优化。 第三章变压器

变压器是电力系统中的重要组成部分。在变压器的设计中，有 限元分析也得到了广泛应用。有限元分析可以模拟变压器的电磁 场分布、热特性以及机械应力等方面，从而优化变压器的设计。 在变压器的运行过程中，热问题也是一个重要的考虑因素。变 压器的工作温度对其寿命和性能有很大的影响。有限元分析可以 模拟不同工况下变压器的温度分布，指导变压器的散热设计。 此外，有限元分析还可以模拟变压器的机械应力情况。在变压 器的运输、安装和使用过程中，可能会因为外力而产生机械应力，导致变压器损坏或寿命缩短。有限元分析可以模拟这种情况，指 导变压器的设计和运行。 第四章开关设备 开关设备在电力系统中也扮演着重要的角色。例如，断路器就 是一种重要的开关设备。在开关设备的设计中，有限元分析同样 得到了广泛的应用。 有限元分析可以帮助设计师分析开关设备的机械应力和热特性。例如，断路器在断开电路的过程中，可能会因为电弧产生大量热量，导致设备损坏。有限元分析可以模拟这个过程，指导断路器 的设计和运行。 此外，有限元分析还可以帮助设计师优化开关设备的电磁场分布。开关设备的电磁场分布对其性能和寿命有很大的影响。有限

基于有限元分析的电力设备热仿真模型研究

基于有限元分析的电力设备热仿真模型研究 1. 引言 电力设备的热仿真模型研究对设备的可靠性和性能优化具有重要意义。本文将基于有限元分析方法，探讨电力设备热仿真模型的研究，以及其在实际工程应用中的价值。 2. 有限元分析方法 2.1 有限元分析原理 有限元分析是一种以有限单元法为基础的数值计算方法，通过将复杂结构分解为多个简单的有限单元，以近似的方式来模拟实际的物理过程。 2.2 有限元分析在电力设备热仿真中的应用 有限元分析在电力设备热仿真中被广泛应用，可以用于模拟电力设备内部的温度分布、热传导以及热辐射等过程，从而帮助工程师优化设备的散热设计和材料选择。 3. 电力设备热仿真模型的建立 3.1 设备几何模型的建立 在建立电力设备的热仿真模型时，首先需要将设备的几何形状进行建模。可以使用CAD软件进行三维建模，或者根据设备的尺寸和形状进行简化建模。 3.2 材料参数的设定 热仿真模型的准确性与材料参数的设定密切相关。材料参数包括热导率、比热容、密度等，可以通过实验测试或者文献调研来获取。 3.3 边界条件的设定

边界条件是指在热仿真模型中设定的温度边界和热流边界。通过合理设定边 界条件，可以模拟实际工况下的热传递过程。 4. 电力设备热仿真模型的求解 4.1 传热方程的建立 电力设备的热仿真可以根据传热方程来描述。常见的传热方程包括热传导方程、热对流方程和热辐射方程等。 4.2 有限元离散化 将传热方程进行离散化得到一组代数方程，然后通过求解这组代数方程得到 设备内部的温度分布。 4.3 仿真结果分析 利用有限元分析软件进行仿真计算后，可以对仿真结果进行分析，如温度分 布图、热流分布图等，以评估设备的散热性能。 5. 电力设备热仿真模型的应用 电力设备的热仿真模型广泛应用于实际工程中，具体包括设备散热设计优化、设备性能预测、故障诊断等方面。 5.1 设备散热设计优化 基于热仿真模型的计算结果，可以评估现有的散热设计方案，并通过优化设 计来提高设备的散热能力，降低温度升高对设备性能的影响。 5.2 设备性能预测 利用热仿真模型，可以预测设备在各种工况下的温度分布和热载荷，从而评 估设备的性能和可靠性，为设备的运行和维护提供依据。 5.3 故障诊断

基于有限元分析的电力电缆载流量影响因素

基于有限元分析的电力电缆载流量影响因素 摘要：随着电力负荷的不断增加，作为电力电缆输送能力重要参数之一的电缆 载流量，分析电缆其载流量和温度场，对电缆输送能力的提高具有十分重要的意义。该文通过采用有限元法对电力电缆载流量进行分析其影响因素，并通过电力 电缆载流量的计算分析各个参数的变化状况。 关键词：电力电缆；电缆载流量；温度场；有限元法 引言 在当今城市建设的快速发展，电缆的使用率越来越广泛[1]。通过对电缆的温 度场进行模型分析，确定载流量可通过数值计算[5]。本文建立单回路土壤直埋电 缆温度场模型，对直埋电缆的散热情况以及影响载流量的因素进行研究分析。 1 有限元法原理 1.1 边界条件 将数学模型建立为一个封闭区域。通过传热学的三类边界条件计算其模型的 边界条件求得。 1）第一类边界条件 式（8）中：ys为集肤效应因数；yp为邻近效应因数。 2 电缆载流量的影响因素分析 本文以单回路土壤直埋电缆为例，采用有限元法来分析影响电缆载流量的因素及其变化 规律。 2 电缆载流量的影响因素分析 本文以单回路土壤直埋电缆为例，采用有限元法来分析影响电缆载流量的因素及其变化 规律。 2.1 空气温度的影响 空气温度作为对电力电缆载流量的重要环境影响因素[2]。随着空气温度的上升，土壤散 热能力便会下降。在不同的空气温度下电力电缆载流量的变化曲线如图2所示。 图5 电缆载流量随电缆间距变化的曲线 从图5电力电缆载流量随电缆间距增加变化的趋势曲线得出随着布置间距的增大而电力 电缆的载流量呈现线性升高。 3 总结 通过电力电缆温度场建立数学模型，对其进行分析温度场的分布、电缆载流量计算以及 影响电缆载流量的因素，得出以下结论： 1）载流量的大小受空气温度的影响，随着空气温度的不断升高，电缆载流量呈线性降低。 2）载流量的大小受土壤温度的影响，随着土壤温度的不断升高，在其他条件不变的情况下，电缆载流量呈线性降低。 3）载流量的大小受土壤热阻系数的影响，随着土壤热阻系数的不断增大，电缆载流量呈 现非线性增大。

有限元法在机电工程中的应用

有限元法在机电工程中的应用 摘要：有限元法可以进行结构、热、电磁、流体、声学等分析。有限元法能得到迅速的发展与愈来愈广泛的应用,除高速电子计算机的出现与发展提供了充分有利的条件,还与有限元法所具有的优越性是分不开的。 关键词：有限元法机电工程应用 前言 有限元法( Finite Element Method, FEM) , 是计算力学中的一种重要的方法, 它是20 世纪50 年代末60 年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元法最初应用在工程科学技术中, 用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题, 有限元法则是一种有效的分析方法。 一、有限元法的基本思路 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。有限元法的基本思路就是将弹性体的求解区域分割为有限个单元,通过构造插值位移函数,利用最小位能原理,将总位能求极值建立线性方程组,从而解得单元节点的位移值,进一步求得应力值。归根到底,有限元法是求解常、偏微分方程的一种方法。理论上讲,凡能够归纳为求解微分方程的工程问题都可以用有限元法来解决。有限元法与其它常规力学方法相比,具有许多优越性: 1、可以分析形状十分复杂的、非均质的各种实际的工程结构; 2、可以在计算中模拟各种复杂的材料结构关系、荷载和条件; 3、可以进行结构的动力分析; 4、由于前处理和后处理技术的发展,可以进行大量方案的比较分析,并迅速用图形表示计算结果,从而有利于对工程方案进行优化。 二、有限元法的发展现状 自从提出有限元概念以来, 有限元理论及其应用得到了迅速发展。过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题, 都得到了新的解决方案。传统的FEM 假设: 分析域是无限的; 材料是同质的, 甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的; 对边界条件简化处理。但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等。在FEM 应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时, FEM 也从分析比较向优化设计方向发展。印度Mahanty 博士用ANSYS 对拖拉机前桥进行优化设计, 结果不但降低了约40% 的前桥自重, 还避免了在制造过程中

基于有限元方法的热传导分析及其工程应用

基于有限元方法的热传导分析及其工程应用热传导是热力学中的一个重要现象，它描述了热量在物体中的传递 过程。在许多工程领域中，对热传导进行准确的分析和预测至关重要。有限元方法是一种常用的数值模拟方法，可以有效地用于热传导分析，并在工程实践中得到了广泛的应用。 1. 有限元方法简介 有限元方法是一种将复杂问题离散化为简单问题的数值方法。它将 需要求解的区域划分为有限数量的子区域，称为单元。通过在每个单 元上建立适当的数学模型，并考虑其边界条件，可以得到整个区域的 近似解。有限元方法可以应用于不同的物理场问题，例如结构力学、 热传导、流体力学等。 2. 热传导的数学模型 热传导过程可以用热传导方程表达。对于三维空间中的热传导问题，热传导方程可以写作： ∇·(k∇T) + q = ρCp∂T/∂t 其中，T是温度分布，k是热导率，q是体积源项，ρ是密度，Cp是比热容。这是一个偏微分方程，可通过有限元方法进行离散化求解。 3. 有限元离散化过程 为了使用有限元方法解决热传导问题，首先需要将待求解区域划分 为有限数量的单元。常见的单元形状有三角形、四边形单元等。然后，

在每个单元内选择适当的插值函数来近似温度场的分布。通过在每个 单元上建立局部方程，并将它们组装成一个整体方程，可以得到一个 线性方程组。通过求解这个方程组，可以得到整个区域的温度分布。 4. 边界条件的处理 在热传导问题中，边界条件起着重要的作用。边界条件可以分为温 度边界条件和热通量边界条件。温度边界条件指定了边界上的温度值，而热通量边界条件指定了热量在边界上的传递速率。在有限元方法中，通过在网格节点处施加相应的边界条件，可以得到方程组的边界条件 部分。 5. 工程应用 基于有限元方法的热传导分析在工程中有着广泛的应用。以热导率 为例，对于材料的选取和设计，了解其热导率的分布是非常重要的。 有限元方法可以对材料的热导率进行模拟和预测，从而指导工程设计 和优化。同时，在导热设备的设计中，有限元方法也可以用来评估材 料的热传导性能，确定热传导路径，优化传热效果。 此外，有限元方法还可以应用于热传导过程的非稳态分析。非稳态 热传导问题在一些特定的工程场景中具有重要意义，例如火灾模拟和 瞬态温度分析等。有限元方法可以通过将时间离散化，得到时间和空 间上的温度分布。 总结：

牵引电机温度仿真数值模拟分析

牵引电机温度仿真数值模拟分析 2. 连云港市广通网络工程有限责任公司 222003 摘要 为了分析额定工况下电机内部温升情况，基于有限元方法，对开式异步风冷牵引电机进行三维稳态流场和热场的耦合仿真数值模拟分析。结果显示，在转速1800rpm下，采用流固耦合的仿真数值模拟方法，对电机进行流场和热场仿真，温升结果和测试对比，误差为2.2%，满足工程应用。 关键词：温度场；牵引电机；数值模拟 前言 电机的损耗主要由铜耗、铁耗、机械损耗和附加损耗组成[1]，这些损耗在电机工作中转化为热量，最终导致电机各部件的温度升高。电机的温升，不仅决定了电机性能的容量还决定了电机绕组的绝缘寿命[2]。所以，在电机设计时，提前识别电机内的温度分布，能够为性能设计和绝缘设计提供有利的参考。 电机温升的计算方法有很多，比如经验类比法、热路法、公式估算法、温度场法等等，前三种方法比较大量的依靠经验，温度场法利用成熟的商业软件，可以得到相对可靠的结果。沈阳工业大学的孔晓光[3]，对电机的定子绕组温度用三维数值模拟和热路法进行计算，并与实测结果进行对比，结果显示，三维数值模拟仿真与实测结果更加接近。上海大学的张琪[4]，通过流固耦合的仿真模拟方法，对车用永磁电机进行温升数值仿真计算，与温升测试结果吻合较好。上海交通大学的陈琳[5]，用温度场耦合法分析了异步电机转子的温升分布，无需计算气流复杂的气隙的散热系数，能够省时高效、准确的得到转子的温度。由此可见，随着模拟仿真软件发展，软件的仿真精度高，使用越来越成熟，温度场法普适性较高，且可以分析电机各个部件的温度，因此温度场法越来越受到设计和研究的青睐。

本文通过有限元方法，对三相异步电机进行整机流场和温度场仿真数值模拟 分析。根据电机的结构，简化得到仿真模型，再根据测试条件，设置边界条件，通过计算得到电机绕组的温度。对电机进行温度测试对标分析，与仿真结果误差 较小，证明仿真方法的合理性，对电机热场流固耦合计算，精度满足工程要求， 提供有力的支持。 电机的结构模型 本文研究的牵引电机为三相鼠笼式异步电机。为了便于模型简化，提高仿真 效率，仿真模型去除了部分倒角、螺丝、垫片、辅助结构等对散热基本没有影响 且比较复杂的部分，绕组和绝缘系统介质等效为一体[6]，简化后的三维模型截 面图如图1所示。 图1 三相鼠笼式异步电机简化模型简化图 电机主要由转子铁芯、定子铁芯、绕组、铜棒、短路环、轴、轴承、压板、 端盖、风扇等部件组成。其中转子为铸铜鼠笼式结构，风扇安装在轴上，跟随转 轴一起转动。电机工作时，转子转动带动风扇旋转，因此产生冷却风，冷却风流 过电机内部的通风孔，带走电机工作时所产生的热量。 网格 根据电机的固体域和流域的结构，将计算域划分为多块规则小体，便于高质 量网格划分。网格采划分方法用结构和非结构相结合的方式，局部区域进行加密 处理，以便得到高质量网格满足数值仿真计算需求。网格总数为1040万，网格 量和网格质量满足工程计算需求。

基于有限元法的电缆温度场与载流量分析

基于有限元法的电缆温度场与载流量分析 戚家伟 【摘要】作为对于输电及配电系统都极其重要的设备之一,电力电缆具有不影响城市市容和传输可靠性高的特点.大量复杂的参数决定电缆的载流量,仅按照IEC 60287-2-1—2015《电力电缆的额定电流计算》标准确定电缆载流量往往有较大的误差,无法满足实际需要.通过有限元法利用电缆温度分布来得到电力电缆的载流量,并通过COMSOL软件试验和仿真验证了此方法的正确性和有效性,给出了对电缆敷设有益及提高电缆载流量的建议.同时,证明此方法对电力电缆的安全、经济运行具有实际意义. 【期刊名称】《华电技术》 【年(卷),期】2018(040)012 【总页数】4页(P36-38,41) 【关键词】电力电缆;有限元法;载流量;COMSOL软件 【作者】戚家伟 【作者单位】国网河南省电力公司客户服务中心,郑州 450000 【正文语种】中文 【中图分类】TM757 1 研究背景 如今，随着许多国家地下电缆生产和应用的迅速发展。从发电厂到城乡电网，从变

电站到工厂和街道,地下电缆以其独特的特点得到越来越广泛的应用。电缆在很多情况下相对于架空线方面有着很大的优势。架空线是裸导线，而裸导线的载流量取决于空气和绝缘体。电力电缆比架空线电缆结构更复杂，除了导体，它有绝缘层来承受高压。电力电缆可以铺设在地面、不同种类电缆如图1所示。 图1 不同种类的电缆 2 研究目的 本文主要通过COMSOL软件研究不同类型的电缆在不同参数条件下的温度场与载流量。首先，利用COMSOL软件画出电缆的几何参数；接下来通过参数的变换构建各种不同的土壤环境；最终通过仿真得到温度场分布与载流量给出增加载流量和减少电缆成本的建议。 3 研究方法 3.1 COMSOL软件的热传导模块 COMSOL是一款基于偏微分方程的多元物理模型软件，它起源于MATLAB软件的工具箱模块，自2005年正式更名为COMSOL。它利用有限元法[1]通过求解偏微分方程来实现对物理现象的仿真模拟，热传导模块将用来模拟在不同环境条件下电力电缆的温度场分布及载流量。 3.2 温度场模拟的复杂性 由于影响温度场[2]的参数较多，只能通过确定电缆的几何参数、电缆材料参数、不同环境的边界条件、网格划分及热源的位置来仿真电力电缆在不同环境下的载流量分析。 3.3 仿真分析流程 仿真的全过程如图2所示，首先利用软件设置电缆的几何参数，选择导体的材料和其他环境参数，接着对这个模型进行仿真模拟得到区域内的温度场分布，如果温度达到设定值，结果可以直接进行讨论与分析，如果达不到就通过改变负荷来改变

高压电力设备温度场仿真分析

高压电力设备温度场仿真分析 一、引言 高压电力设备是电力系统的重要组成部分，在输电、变电、配 电等方面都发挥着重要作用。为了确保高压电力设备的正常运行，对其进行温度场仿真分析有助于发现问题，提高设备的运行效率 和延长其使用寿命。 二、高压电力设备温度场的形成 在高压电力设备中，由于电流通过设备，设备会产生电阻。通 过欧姆定律，我们知道电阻会产生热量。设备通过散热来消散热量，散热的能力不足会使设备的温度升高。 在高压电力设备的内部，由于电流分布的不均匀，设备内部的 一些部分会比其他部分热，形成片状、点状热场。这些热场会随 着时间的推移而不断变化，其变化的趋势与设备的结构、外部环 境因素以及设备本身的特性相关联。 三、高压电力设备温度场仿真分析的作用 高压电力设备温度场仿真分析可以帮助我们了解设备内部的温 度分布和变化趋势。我们可以通过得到的仿真数据，对设备进行 优化改进，提高其散热能力，延长其使用寿命。

同时，通过仿真结果，我们还可以判断设备是否存在局部异常 的温度升高现象。对异常的部分可以进行更为详细的分析，找出 问题产生的原因，采取有效的措施加以解决。 四、高压电力设备温度场仿真分析的方法 高压电力设备温度场仿真分析的方法可以分为两类：一是基于 数学模型的仿真方法，另一种是基于有限元方法的仿真方法。 基于数学模型的仿真方法适用于较为简单的设备，方法简单， 速度快。采用这种方法需要先根据设备的物理特性建立模型，然 后解出偏微分方程，得到模型的温度分布曲线。 基于有限元方法的仿真方法可模拟较为复杂的高压电力设备， 其精度更高，更加逼真。这种方法需要将设备分割成多个小区域，建立各区域之间的数学关系，求解得到该设备的温度场分布。 五、高压电力设备温度场仿真分析的关键因素 高压电力设备温度场仿真分析的关键因素包括：设备本身的结构、环境的影响、电流分布的不均匀性以及与设备相连的引线电 缆等附件的影响。 六、高压电力设备温度场仿真分析的案例分析

永磁同步电机热分析研究综述

永磁同步电机热分析研究综述 对永磁同步电机的损耗和温度场进行研究综述。对永磁同步电机的热分析研究进行综述，并介绍了永磁同步电机中的重要损耗。本文对比了解析法和数值法两种不同类型的热分析法，并考虑了每种方法的优缺点，同时对各种散热形式作了介绍. 标签：永磁同步电机；磁损耗；热分析 1 引言 现如今由于客户对高效率、小型化、紧凑型电机的需求日益上升[1]，对设计者来说电机的温度场设计变得更具有挑战性。过去的电机温度场设计看起来并不重要并且易于实现，这些结论是通过比较一定数量的电机电磁设计与温度场设计文献得出的。其原因显而易见，电机设计者是电气工程专业，而温度场设计领域与机械工程有关。电机的热分析比电磁设计更为复杂。一个电机的热场模型与制造过程直接相关；与电磁设计相比，电机的热分析始终是一个三维问题。在某些热力学现象中，电机的热现象不能用纯粹的数学关系来描述[2-3]。本文的主要目的是介绍永磁辅助式同步磁阻电机中的损耗，并对电机的热分析方法和电机散热进行介绍，为永磁电机热分析提供基础。 2.损耗 永磁同步电机中的损耗主要分为三类：定子铜损、铁芯损耗和磁损耗。定子铜耗由交流部分和直流部分两部分组成。直流部分的损耗包括温度对绕组电阻增大的影响，交流部分的损耗包括趋肤效应和邻近效应。高速电机以及有变频器的绕组式电机中直流部分的损耗更为显著。减少交流中铜耗量有两种方法：使用绞线或分裂子导线。迄今为止许多研究课题都在处理铁耗这一复杂的问题。最常见的原则有两项法和三项法，此类方法都基于斯坦梅茨和贝尔托蒂的早期工作。两项法把铁芯损耗分为两类，即磁滞损耗（静态损耗）和涡流损耗（动态损耗）。磁损耗是磁体中由于线槽旋转、电源或其它几何效应产生的高次谐波磁通所感应的磁场涡流引起的。 2 热场分析方法 2.1 基于集总参数的热分析。 集总参数热网络（LPTN）分析法用于计算来自电机不同部位的热传递与热流动，这种解析方法的优点是计算速度快。因此用这种方法计算热场电路中不同部位的温度用时短。在计算过程中确定传热路径的准确性起着重要的作用，温度几乎相同的组件集中在一起用一个节点表示，主要的热传递方式是通过节点间的热阻抗表示的。例如热量通过一些传导电阻从线圈流到槽齿处，再到铁芯和机体框架，最后借助于对流和辐射电阻从框架转移到电机外部环境。在绘制了所有主

微纳电子学中的电气热模拟方法

微纳电子学中的电气热模拟方法微纳电子学已经成为目前电子学中发展最为迅速的研究领域之一，具有广泛的应用前景。由于器件尺寸小、工艺精度高，导致电热等效效应日益严重。在微纳电子学器件设计中，必须对器件的电气热模拟进行准确的分析，以便进行合理的设计和进一步优化。因此，研究电气热模拟方法对微纳电子学的发展至关重要。 一、微纳电子学中常用的电气热模拟方法 1. 有限元法（FEM） 有限元法是研究微纳电子学电气热模拟的一种常用方法。有限元法将微纳电子学结构抽象为有限个单元，以单元为基本单元进行电气热分析，通过求解单元之间的电热耦合方程组建立器件的电热分析模型。其优势是能够准确地描述复杂结构的电热耦合效应，缺点是模型构建过程需要大量人力和时间成本。 2. 均匀化模型（HS）

均匀化模型也是一种常用的电气热模拟方法，其将微纳电子学器件简化为具有均匀性参数的等效电路和热电阻网络。将器件参数均匀化后，电热分析的求解变得简单而高效，但是模型的精度会受到影响。 3. 基于传输线理论的模型（TL） 基于传输线理论的模型是一种适合于微纳电子学结构的新型电气热模拟方法。该方法将微纳电子学器件看做一条传输线，通过分析其电热特性以及传输线电阻、电感和电容等参数，建立相关的电热模型进行仿真。 二、电气热模拟方法的研究进展 随着微纳电子学的快速发展，微纳器件变得越来越小，同时工艺技术越来越精细。这些都使得电气热模拟的精度和计算复杂度变得更加重要。为了更好地解决电热效应，研究者们正在不断开发新的计算方法。 1. 快速有限元法（FEM）

快速有限元法（FEM）是有限元法的一种优化和改进。相比传统有限元法，快速有限元法不仅能够提高计算精度，同时还能够减少计算量和运行时间。此外，快速有限元法也适用于大型结构中电气热模拟的求解。 2. 非线性热电模拟（TE） 非线性热电模拟是一种适用于微纳电子学的新兴计算方法。该方法能够考虑到微纳电子学器件在高温环境下的非线性特性，对电气热模拟中的非线性效应有更好的处理，这样就能够计算出更准确的电热耦合效应。 3. 深度学习与电气热模拟 深度学习在计算机视觉、自然语言处理等领域已经取得了卓越成就，并且已经开始在微纳电子学领域中得到应用。深度学习可以更加准确地学习微纳电子学器件的特性，从而建立更加准确的电热模型，提升电热模拟的效果和精度。不过，深度学习的应用也需要消化更多的数据，这就需要人们更加注重数据的获取，从而使得计算成本更低。

电力电缆温度场与载流量计算软件设计

电力电缆温度场与载流量计算软件设计 刘畅;徐政 【摘要】针对电力电缆温度场的仿真问题和载流量的计算问题，基于有限元方法和等效热阻法开发了电力电缆温度场与载流量计算软件。软件采用面向对象的Visual C#语言以及 Microsoft Visual Studio 平台上的 Windows Presentation Foundation 技术，具有高度模块化的视图层、控制层和模型层三层软件架构。该软件实现了电缆载流量的解析计算与数值计算、电缆温度场的数值分析及其数据可视化等功能，并使用电缆厂的技术数据对软件的计算准确性进行了测试。与其他商业软件相比，该软件在电缆参数计算领域更具专业性，而且节省了建立电缆有限元模型的时间。%In allusion to simulation on temperature field of electric power cable and calculation on its ampacity,a kind of cal-culation software for temperature field and ampacity of electric power cable based on finite element and equivalent thermal resistance method is developed. The software applies object-oriented Visual C# language and Windows Presentation Foun-dation technology on Microsoft Visual Studio platform and it is provided with highly modular three-layer architecture inclu-ding view layer,control layer and model layer. The software realized functions such as analytic calculation and numerical calculation on ampacity of the cable,numerical analysis on temperature of the cable and data visualization. Meanwhile,it proceeded testing on calculation veracity of the software by using technical data of the cable plant. Compared with other business software,this software is more professional in calculation field of cable