ハイパワー バスバーのシミュレーション – SOLIDWORKS 内の過渡磁気解析

問題の説明

この論文では、SOLIDWORKS 内の EMWorks2D を使用して、ハイパワー バスバーの 2D モデルを解析します。磁場、渦電流、近接効果、電磁損失などを含むさまざまなバスバーのパラメーターを計算するために、過渡電磁シミュレーションが実行されます。これらの結果に加えて、近接、表皮効果、シールド効果などのいくつかの物理現象が評価されます。図 1a) と 1b) は、それぞれ完全な 3D モデルと単純化された 2D モデルを示しています。 EMWorks2D の 2D 簡略化機能を使用して、最初の 3D ジオメトリをシミュレーションの準備が整った 2D サーフェスに自動的に変換します。シミュレートされたバスバーの定格電流は 50Hz で 3kA です。

過渡磁気シミュレーション

このセクションでは、過渡磁気解析を実行して、磁場、渦電流、近接効果、電磁損失などを含むさまざまな電磁量を計算します。
図 2a) と 2b) は、異なる時間ステップでのバスバー モデルの磁束分布のコンタープロットとライン プロットをそれぞれ示しています。時間に対するフィールド プロットのアニメーション (2 つの電気サイクル中) を図 3 に示します。

EMWorks2D のパラメトリック スイープ機能を使用して、バスバーの入力電流を変化させ、磁場の結果を XY 平面の軸に沿って評価します。図 4 に見られるように、異なる入力電流に対して、磁場は同じ挙動を示し、バスバーの導体の周りにいくつかのピークを表しています。

図 5 は、バスバー モデル フェーズの電流密度分布を示しています。静的シミュレーションとは異なり、過渡シミュレーションでは、適用される電流は時間によって変化し、表皮効果や近接効果などのさまざまな物理現象が観察されます。上記の現象により、電流分布が均一ではないことが図 5 からわかります。図 6 は、1 つのバスバーの導体壁を通る電流密度を示しています。片側から反対側に移動すると減少します。

バスバー モデルの総電磁損失 (図 7) は、さまざまな入力電流に対して計算されます。図 8 に要約されているように、平均損失は供給電流に比例して増加します。

バスバーは通常、銅またはアルミニウムでできています。したがって、これら2つの材料を使用した場合の電磁損失の調査が必要です。図 9 は、銅とアルミニウムの両方の材料について調査したバスバーの電磁損失を示しています。これは、アルミニウムが銅よりも損失が大きいことを示しています。これは、電気抵抗率が高いためです。しかし、これは、アルミニウムが銅に比べて重量とコストの比率が優れているため、銅のバスバーが完全に優れているという意味ではありません.

図 10 には、さまざまな周波数での時間に対するバスバー モデルの総損失が含まれています。図 11 に示すように、平均損失は 1kHz (~740W) で最大になり、周波数が 50Hz (~225W) で最小になります。したがって、電磁損失は周波数とともに増加し、これは表皮効果によるものであると結論付けることができます。表皮効果現象によって引き起こされる表皮深さは、周波数とともに減少し、バスバーの抵抗と損失が大きくなります。図 12 は、周波数に対する AC/DC 損失の比率も示しています。この比率は、周波数が高いほど重要になります。 50 Hz で 1.09 から 1kHz で 3.6 に増加します。

図 10 -電磁損失対周波数

図 12 では、さまざまな位相のローレンツ力 x 成分が時間に対してプロットされています (印加電流は 3kA ピークです)。位相2 の平均ローレンツ力はほぼゼロであるのに対し、合計平均力は約 4.5N であることを示しています。

シールド効果

図 14 と 15 は、それぞれ、金属シールドがある場合とない場合の静的磁場と時間変化する磁場の比較を示しています。どちらの場合も、シールドなしのバスバーとは異なり、磁場分布はマグニチュードの点で小さくなり、スチール シールドが追加されるとバスバーの周囲の小さな領域に制限されます。

ただし、シールドにより、電磁放射から電子部品と人間の健康を確実に保護できますが、追加の電力損失が発生します。下の図は、金属シールドで囲まれた場合のバスバーの総損失を示しています。

以下は、金属シールドの場合の 3 つのバスバー ラインのローレンツ力の結果です。見てわかるように、全体として、シールドなしのバスバーの場合の 4.5N と比較して、平均力は 1N 未満です。したがって、鋼のシールドは、特に短絡の場合に磁力の影響を減らすことができます。

短絡応答

図 18 は、バスバーの第 3 段階におけるローレンツ力の結果の比較を示しています。この比較は、ローレンツ力が金属シールドの存在下で減少することを示しています。

図 19 は、シールド付きおよびシールドなしのバスバー モデルの場合の短絡状態での電磁損失を示しています。短絡損失はかなり大きく、システムの損傷を引き起こす可能性があります。

まとめ

このアプリケーション ノートでは、EMWorks2D を使用してバスバー モデルを調べました。いくつかの動作条件下でシミュレートされたバスバーのさまざまな出力結果を計算するために、過渡磁気解析が実行されました。磁場、電磁損失、回路パラメータは、EMWorks2D を使用して計算されました。