涡电流损失加热

分类:解析 | 统合版 2026-04-06

涡电流损失加热的理论基础

🎓

时变磁场导致导体内的涡电流损耗。变压器铁芯和电动机铁芯的损失评估。通过薄板叠层来降低损失。




支配方程




$$ P_e = \frac{\pi^2 d^2 f^2 B_m^2}{6\rho} $$
$$ \nabla \times (\frac{1}{\mu}\nabla \times \mathbf{A}) = \mathbf{J}_s - \sigma\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial t} $$



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我明白了。如果能描述涡电流损失加热,应该就没问题了吧?


离散化手法

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那这个方程怎么在计算机上实际求解呢?


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使用有限元法(FEM)进行空间离散化。组装单元刚度矩阵,构造全局刚度方程。


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转换到弱形式(变分形式),采用Galerkin法进行定式化。单元类型的选择(低阶单元 vs. 高阶单元完全积分 vs. 低减积分)直接影响求解精度和计算成本的权衡。




矩阵求解算法

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矩阵求解算法具体是什么意思呢?


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直接法(LU分解Cholesky分解)或迭代法(CG法GMRES法)求解线性方程组。对于大规模问题,前处理迭代法效果显著。



求解法分类内存使用量适用规模
LU分解直接法O(n²)小-中规模
Cholesky分解直接法(对称正定)O(n²)小-中规模
PCG法迭代法O(n)大规模
GMRES法迭代法O(n·m)大规模·非对称
AMG前处理前处理O(n)超大规模
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也就是说,在有限元法这一步偷工减料,后面就会吃大亏啊。我记住了!


商用工具中的实现

🧑‍🎓

那做涡电流损失加热需要什么软件呢?


工具名称开发方/现属主要文件格式
COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph
JMAG-DesignerJSOL Corporation.jmag, .jproj
Ansys Mechanical (原ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
MSC MarcHexagon (MSC Software).dat, .t16, .t19

厂商系统和产品整合的历程

🧑‍🎓

各个软件的起源故事是不是挺戏剧化的?



COMSOL Multiphysics

🧑‍🎓

请给我讲讲"COMSOL Multiphysics"!


🎓

1986年在瑞典成立。最初以FEMLABFEM从MATLAB连接开始,后改名为COMSOL。在多物理耦合方面有特长。

现属:COMSOL AB



JMAG-Designer

🧑‍🎓

JMAG具体是怎么回事呢?


🎓

由日本JSOL公司开发。专业于电气设备设计的电磁场分析工具。

现属:JSOL Corporation




Ansys Mechanical (原ANSYS Structural)

🧑‍🎓

请给我讲讲"Ansys Mechanical"!


🎓

1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI) 开发。基于APDL(Ansys参数化设计语言)。

现属:ANSYS Inc.


🧑‍🎓

哎呀,我明白了!"在瑞典成立"原来是这样的机制啊。


文件格式和互操作性

🧑‍🎓

不同软件之间交换数据时有什么需要注意的吗?


格式扩展名类型概述
STEP.stp/.step中立CAD符合ISO 10303的3D CAD数据交换格式。支持几何+PMI。
IGES.igs/.iges中立CAD早期CAD数据交换标准。曲面数据兼容性有问题。逐步迁移到STEP。
MED.med网格/结果EDF/CEA开发。Code_Aster等使用。基于HDF5。
🎓

不同求解器之间转换模型时,要注意单元类型的对应关系、材料模型的兼容性、荷载·边界条件的表达差异。特别是高阶单元或特殊单元(内聚单元、用户定义单元等)往往无法直接转换。


🧑‍🎓

我明白了…格式看似简单,实际上很深奥呢。


实务上的注意点

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有没有教科书上没有的"现场知识"呢?


🎓

网格收敛性验证、边界条件的合理性检验、材料参数的敏感性分析都特别重要。


🎓
  • 验证网格依赖性:至少用3个网格密度水平确认收敛性
  • 验证边界条件的合理性:设置物理意义明确的约束条件
  • 检验结果:与理论解、实验数据、已知基准问题对比


  • 🧑‍🎓

    哎呀,涡电流损失加热这个题目真深啊…感谢老师的讲解,我理解得差不多了!


    🎓

    嗯,进展不错啊!实际动手做才是最好的学习。有疑问随时问我。


    Coffee Break 闲话

    变压器铁芯为何采用薄板叠层——了解涡电流损失的控制

    电力变压器的铁芯(铁心)不是一个整体(块状铁),而是几百层薄硅钢板叠压而成的结构。原因是为了降低涡电流损失。当交流磁通通过块状铁时,整个铁芯会形成"短路电流回路",产生大量涡电流损耗。如果分割为厚度t的薄板,损失会随t²降低,所以用0.35 mm厚的薄板可以将损失降低到原来的1/10以下。再加上添加数%的硅来提高电阻率——这种"叠层+硅添加"的百年智慧支撑着现代电力基础设施。

    涡电流损失加热的数值计算方法


    🧑‍🎓

    我明白了…涡电流损失加热这个题目看似简单,实际上很深奥呢。


    离散化的定式化



    🎓

    形状函数 $N_i$ 来逼近未知量:



    $$ u^h(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} N_i(\mathbf{x}) \, u_i $$




    🎓

    用数式表示如下。


    $$ K_e = \int_{\Omega_e} B^T \, D \, B \, d\Omega \approx \sum_{g=1}^{n_g} w_g \, B^T(\xi_g) \, D \, B(\xi_g) \, |J(\xi_g)| $$

    基础方程的离散形


    🎓

    用数式表示如下。


    $$ P_e = \frac{\pi^2 d^2 f^2 B_m^2}{6\rho} $$
    $$ \nabla \times (\frac{1}{\mu}\nabla \times \mathbf{A}) = \mathbf{J}_s - \sigma\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial t} $$

    🧑‍🎓

    嗯,只有公式的话,我摸不着头脑…能解释一下表示什么吗?


    🎓

    连续体的支配方程离散化后,得到下面的代数方程组:



    $$ [K]\{u\} = \{F\} $$


    🎓

    这里$[K]$是全局刚度矩阵(或等效的系统矩阵),$\{u\}$是未知节点变量矢量,$\{F\}$是外力矢量。


    🧑‍🎓

    哎呀,我明白了!连续体的支配方程的离散化原来是这样的机制啊。


    单元技术

    🧑‍🎓

    "单元技术"听说过,但可能理解得不够…


    单元类型阶次节点数(3D)精度计算成本
    四面体1阶线性4低(剪切锁定)
    四面体2阶二次10
    六面体1阶线性8
    六面体2阶二次20非常高
    棱柱体线性/二次6/15中~高

    积分方案

    🧑‍🎓

    积分方案具体是什么意思呢?


    🎓
    • 完全积分:精确积分所有项。刚度评估过高的倾向(锁定
    • 低减积分:减少积分点数。计算效率提高,但有产生沙漏模式的风险
    • 选择性低减积分 (B-bar法):分离体积项和偏差项积分。避免锁定

    • 🧑‍🎓

      现在终于明白单元类型为什么这么重要了!


      收敛性和稳定性

      🧑‍🎓

      如果不收敛了,首先应该检查什么?


      🎓
      • h-细化:细分网格(减小单元尺寸h)来提高精度
      • p-细化:提高单元的多项式次数来提高精度
      • hp-细化:同时优化h和p

      • 🎓

        收敛速度:二阶单元以$O(h^2)$的阶收敛(光滑解情况)


        🧑‍🎓

        我明白了…细化网格看似简单,实际上很深奥呢。


        求解器设置的推荐事项

        🧑‍🎓

        具体用什么算法来求解涡电流损失加热呢?


        参数推荐值备注
        迭代法收敛判定$10^{-6}$残差范数标准
        前处理手法ILU(0) or AMG取决于问题规模
        最大迭代次数1000未收敛时重新调整设置
        内存模式In-core尽可能使用

        单片法

        把所有物理场组织成一个线性方程组同时求解。对强耦合稳定,但实现复杂,内存消耗大。

        分割法(分离迭代法

        各物理场独立求解,在界面处数据交换。易于实现,可利用现有求解器。适合弱耦合。

        界面数据转移

        最近邻法(最简单但精度低)、射影法(保守)、RBF插值(对非匹配网格鲁棒)。保守性和精度的平衡很重要。

        子迭代

        在各耦合步内充分迭代,确保界面条件的相容性。残差判定基准需根据各物理场的典型值进行缩放。

        Aitken缓和

        自动调整耦合迭代的缓和系数。防止超松弛导致的发散,加速收敛的自适应手法。

        稳定性条件

        注意附加质量效应(流体-结构耦合,结构密度≈流体密度时)。不稳定时可采用Robin型界面条件或IQN-ILS法。

        涡电流损失加热的实务应用

        🎓

        讲解涡电流损失加热的实务解析流程和注意事项。


        🧑‍🎓

        我明白了…涡电流损失加热的实务看似简单,实际上很深奥呢。


        解析流程

        🧑‍🎓

        从第一步教起!我应该从哪里开始?


        🎓

        1. 前处理 (Pre-processing)

        • 导入CAD数据并简化几何
        • 定义材料特性
        • 网格生成(单元类型·尺寸的确定)
        • 设置边界条件和荷载条件

        🎓

        2. 求解 (Solving)

        • 求解器配置(求解法、收敛基准、输出制御)
        • 提交任务并运行计算
        • 收敛过程监控

        🎓

        3. 后处理 (Post-processing)

        • 结果可视化(位移、应力、其他物理量)
        • 验证结果的合理性
        • 报告编制


        网格生成的最佳实践

        🧑‍🎓

        网格的好坏怎么判断呢?



        单元质量指标

        🧑‍🎓

        请给我讲讲"单元质量指标"!


        指标理想值允许范围影响
        纵横比1.0< 5.0精度下降
        Jacobian比1.0> 0.3单元退化
        翘曲< 15°精度下降
        歪斜度< 45°收敛性恶化
        锥形比0< 0.5精度下降

        网格密度的确定

        🧑‍🎓

        网格密度的确定具体是什么意思呢?


        🎓
        • 应力集中部:至少3层以上的单元配置
        • 应力梯度大的区域:单元尺寸设为周围的1/3~1/5
        • 荷载加载点附近:局部细分
        • 远离区域:用粗网格保证计算效率


        • 边界条件的设置指南

          🧑‍🎓

          听说边界条件这里出错的话整个就完蛋了…


          🎓
          • 过约束注意:刚体运动的约束只需6个自由度
          • 对称条件的活用:削减计算规模
          • 荷载的等价分配:集中荷载 vs. 分布荷载的选择

          • 🧑‍🎓

            哎呀,我明白了!"过约束注意"原来是这样的机制啊。


            商用工具别的实现步骤

            🧑‍🎓

            有各种各样的软件吧?请分别介绍一下特点!


            工具名称开发方/现属主要文件格式
            COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph
            JMAG-DesignerJSOL Corporation.jmag, .jproj
            Ansys Mechanical (原ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
            MSC MarcHexagon (MSC Software).dat, .t16, .t19

            COMSOL Multiphysics

            🧑‍🎓

            请给我讲讲"COMSOL Multiphysics"!


            🎓

            1986年在瑞典成立。最初以FEMLABFEM从MATLAB连接开始,后改名为COMSOL。在多物理耦合方面有特长。

            现属:COMSOL AB



            JMAG-Designer

            🧑‍🎓

            JMAG具体是怎么回事呢?


            🎓

            由日本JSOL公司开发。专业于电气设备设计的电磁场分析工具。

            现属:JSOL Corporation


            🧑‍🎓

            老师的讲解清楚易懂!工具名称的疑惑都消除了。


            常见的失败和对策

            🧑‍🎓

            初学者容易犯的错误有什么套路吗?想提前了解!


            现象原因对策
            计算不收敛网格质量差、边界条件不当改善网格、检查拘束条件
            应力异常大应力奇点、网格依赖避免奇点、局部细分网格
            位移不符合物理材料常数错误、单位系混乱检查输入数据
            计算时间过长不必要的细分、非效率求解优化网格、并行计算

            质量保证检查清单

            🧑‍🎓

            有没有教科书上没有的"现场知识"呢?


            🎓
            • 用3个以上网格水平确认收敛性
            • 检验力的平衡(反力合计)
            • 确认结果在物理合理范围内
            • 与理论解、基准问题对比


            • 🧑‍🎓

              哎呀,涡电流损失加热这个题目真深啊…感谢老师的讲解,我理解得差不多了!


              🎓

              嗯,进展不错啊!实际动手做才是最好的学习。有疑问随时问我。


              Coffee Break 闲话

              电动机铁芯涡电流损失和温度——批量设计中的实测和CAE的用法

              在混合动力车·纯电动车的电动机开发中,铁芯的涡电流损失(铁损)成为热设计的大课题。在高速旋转区域(数千rpm以上),电气频率变高,涡电流损失急剧增加。为此会考虑进一步薄化积层板(0.2 mm厚)或改用非晶合金。在模拟与实测相关性验证中,通常采用"双通道功率计"精确测定输入电力和机械输出,用差值推算损失并与解析值比较。解析损失评估不足会导致设计裕度不足,所以验证过程要谨慎。

              涡电流损失加热的软件比较

              🎓

              介绍涡电流损失加热对应的主流商用CAE工具的功能对比及厂商历史背景。



              对应工具一览

              🧑‍🎓

              那做涡电流损失加热需要什么软件呢?


              工具名称开发方/现属主要文件格式
              COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph
              JMAG-DesignerJSOL Corporation.jmag, .jproj
              Ansys Mechanical (原ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
              MSC MarcHexagon (MSC Software).dat, .t16, .t19

              COMSOL Multiphysics

              🧑‍🎓

              请给我讲讲"COMSOL Multiphysics"!


              🎓

              1986年在瑞典成立。最初以FEMLABFEM从MATLAB连接开始,后改名为COMSOL。在多物理耦合方面有特长。

              现属:COMSOL AB



              JMAG-Designer

              🧑‍🎓

              JMAG具体是怎么回事呢?


              🎓

              由日本JSOL公司开发。专业于电气设备设计的电磁场分析工具。

              现属:JSOL Corporation




              Ansys Mechanical (原ANSYS Structural)

              🧑‍🎓

              请给我讲讲"Ansys Mechanical"!


              🎓

              1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI) 开发。基于APDL(Ansys参数化设计语言)。

              现属:ANSYS Inc.



              MSC Marc

              🧑‍🎓

              请给我讲讲"MSC Marc"!


              🎓

              由MARC Analysis Research Corp.开发的非线性FEA求解器。现由MSC Software收购。在大变形·接触问题上表现出色。

              现属:Hexagon (MSC Software)


              🧑‍🎓

              我明白了…"在瑞典成立"看似简单,实际上很深奥呢。


              功能比较矩阵

              🧑‍🎓

              预算和时间都有限,哪个性价比最强?


              功能COMSOLJMAGAnsys MechanicalMarc
              基本功能
              高级功能
              自动化/脚本
              并行计算
              GPU对应

              转换时的风险

              🧑‍🎓

              转换时的风险具体是什么意思呢?


              🎓
              • 单元类型的不兼容:求解器特有单元无法用中立格式表示
              • 材料模型的差异:同名但内部实现有差异
              • 边界条件的重新定义:多数情况需手动重设
              • 结果数据的对比:输出变量的定义(节点值 vs. 单元值、高斯点值)有差异

              • 🧑‍🎓

                哎呀,我明白了!不同工具间的模型转换原来是这样的机制啊。


                许可证形态

                🧑‍🎓

                "许可证形态"听说过,但可能理解得不够…


                工具许可证特点
                商用FEA节点锁定/浮动费用高但提供官方支持
                OpenFOAMGPL免费但技术支持需付费
                COMSOL节点锁定/浮动按模块购买
                Code_AsterGPLEDF开发的OSS求解器

                选择指南

                🧑‍🎓

                到底选哪个,有什么判断标准吗?


                🎓

                在涡电流损失加热工具选择时应该考虑以下因素:


                🎓
                • 解析规模:对数万到数亿DOF的可扩展性
                • 物理模型:是否覆盖必要的本构关系·单元类型
                • 工作流程:与CAD的连接、自动化的易用性
                • 成本:初期投资+年保维费+教育成本
                • 技术支持:支持服务的质量和响应速度


                • 🧑‍🎓

                  哎呀,涡电流损失加热这个题目真深啊…感谢老师的讲解,我理解得差不多了!


                  🎓

                  嗯,进展不错啊!实际动手做才是最好的学习。有疑问随时问我。


                  Coffee Break 闲话

                  JMAG vs Opera vs Flux——涡电流损失分析工具国际对比

                  涡电流损失分析的主流工具国际对比来看,日本的JMAG(JSOL)、英国的Opera(Cobham)、法国的Flux(Altair)呈现三足鼎立的局面。JMAG与日本汽车·电动机制造商的合作历史深厚,积层铁芯等效特性模型和铁损计算库十分充实。Opera在电力机器·MRI装置等大型电磁机器设计中得到欧洲广泛支持。Flux被Altair收购后,与HyperWorks的集成加强,结构·热等多物理耦合工作流进一步完善。三方的竞争促进了用户功能的提升。

                  涡电流损失加热的先进研究

                  🎓

                  看一下涡电流损失加热的最新研究动向和先进方法。


                  🧑‍🎓

                  也就是说,有限元法这一步出问题的话,后面就会吃大亏啊。我记住了!


                  最新的数值手法

                  🧑‍🎓

                  接下来是最新的数值手法。什么内容呀?



                  🧑‍🎓

                  嗯,只有公式的话,我摸不着头脑…能解释一下表示什么吗?


                  🎓
                  • 等几何分析 (IGA):直接使用NURBS基函数,实现CAD-CAE无缝衔接
                  • 无网格法 (SPH, MPM):通过无网格手法追踪大变形·破坏
                  • 相场法 (Phase-Field):采用隐式界面表示进行复杂界面追踪
                  • 机器学习辅助代理模型、物理信息神经网络 (PINN)


                  • 高性能计算 (HPC) 的应对


                    并行化手法概述适用求解器
                    MPI (领域分割)分布式内存型。大规模问题的标准全主流求解器
                    OpenMP共享内存型。节点内并行多数求解器
                    GPU (CUDA/OpenCL)GPGPU活用。在陽解法上特别有效LS-DYNA, Fluent等
                    混合 MPI+OpenMP节点间+节点内并行大规模HPC环境

                    涡电流损失加热的故障排除


                    🧑‍🎓

                    我明白了。只要涡电流损失加热描述无误,应该就没问题吧?


                    常见错误和对策

                    🧑‍🎓

                    老师也在涡电流损失加热问题上通宵调试过吗?(笑)



                    1. 收敛失败

                    🧑‍🎓

                    收敛失败具体是什么意思呢?


                    🎓

                    现象:求解器在指定迭代次数内无法收敛而异常终止


                    🎓

                    可能的原因

                    • 网格质量不足(过度扭曲的单元)
                    • 材料参数设置不当
                    • 不当的初始条件
                    • 非线性过于强烈(荷载步数不足)

                    🎓

                    对策

                    • 检查网格质量(纵横比、Jacobian)
                    • 确认材料参数的单位系
                    • 分步加载荷载(增加子步数)
                    • 放松收敛判定基准(留意精度)

                    🧑‍🎓

                    也就是说,收敛失败这一步出问题的话,后面就会吃大亏啊。我记住了!



                    2. 非物理的结果

                    🧑‍🎓

                    接下来是非物理结果的话题。什么内容呀?


                    🎓

                    现象应力/位移/温度等出现不符合物理的非现实值


                    🎓

                    可能的原因

                    • 边界条件设置错误
                    • 单位系混乱(SI单位与工程单位混用)
                    • 单元类型选择不当
                    • 存在应力奇点

                    🎓

                    对策

                    • 检查反力合计(力的平衡)
                    • 确认单位系的一致性
                    • 重新评估单元类型的适当性
                    • 消除奇点或进行子模型分析

                    🧑‍🎓

                    我明白了前辈说的"收敛失败一定要好好做"的意思。




                    3. 计算时间超过

                    🧑‍🎓

                    计算时间超过具体是什么意思呢?


                    🎓

                    现象:计算耗时远超预期


                    🎓

                    对策

                    • 优化网格的粗密分布
                    • 利用对称性(1/2、1/4模型)
                    • 优化求解器设置(迭代法、前处理的选择)
                    • 利用并行计算



                    4. 内存不足

                    🧑‍🎓

                    请给我讲讲"内存不足"!


                    🎓

                    现象:Out of Memory 错误


                    🧑‍🎓