如何模拟三维旋转机械

旋转机械的模拟过程在现代工业社会的机械设计中起着至关重要的作用，特别是发电机和电动机等旋转机械的模拟。在 COMSOL Multiphysics 中的旋转机械，磁物理场接口旨在准确模拟这些系统。接下来，我们将详细探讨旋转机械模拟的过程，并提供使用此功能的最佳实践指南。

旋转机械的几何结构通常由定子和转子组成，两者之间有一空气缝隙将它们分开。由于有限元方法不支持旋转，旋转机械通过采用移动网格的方法来进行模拟。旋转机械几何的切割通常沿着空气缝隙将机械分为两部分：一部分包含定子，另一部分包含转子。这两部分分别进行网格剖分。在模拟过程中，定子部分保持静止，转子部分则旋转。切割边界始终确保这两部分网格接触。

在模拟开始前，需确保几何序列定型。这通常通过创建包含静止和旋转部分的独立几何对象，并使用形成装配功能来实现。这一步骤自动创建表示定子和转子接触边界的“一致对”。随后，使用旋转特征指定旋转角或速度，COMSOL Multiphysics 将启用移动网格功能并调整电磁场变换。

在切割处，空气缝隙的电磁场被视为连续。与其他内部边界不同，一致对处的磁场需要额外的处理，以确保其连续性。这可以通过在一致对处应用连续性对特征来实现。

旋转机械，磁接口通过求解 Maxwell 方程来计算电磁场分布。在求解过程中，可以计算出施加的扭矩等物理量。对于瞬态分析，该接口采用准静态近似，忽略位移电流密度。在机械中，电流主要由外加励磁绕组产生，或由机械部件感应产生的涡流构成。不导电部分（如空气间隙）不会产生电流密度。

在模拟过程中，可选择矢量势公式或标量势公式来求解 Maxwell 方程。矢量势公式引入磁矢势和电场定义，而标量势公式则使用磁标量势。两者都自动计算 Maxwell 方程，如法拉第定律和磁通量守恒定律。在三维模型中，标量势公式能提供更精确的成对耦合，因此在混合公式中尤其有用。

在三维模型中，通常使用矢量势公式来模拟传导域，而标量势公式用于空气缝隙和非传导域。这种混合公式在三维模型中表现出优越性，尤其是在提高标量势区域和矢量势区域之间边界上的耦合精度方面。在二维模型中，对于平面内的磁场，矢量势和标量势的离散化方式相似，因此通常无需使用混合公式。

旋转机械，磁接口默认使用矢量势公式来求解安培定律，并将磁通量守恒特征应用于空气缝隙和其他非传导区域。混合公式边界特征在标量势区域和矢量势区域之间的界面上应用适当条件。连续性对特征确保了相关变量在一致对两侧的耦合，因此在使用不同公式时必须注意一致性。

混合公式在处理旋转机械模拟时提供了一种简单且高效的方法，但其数学背景和局限性必须被充分了解。在使用标量势公式的区域，只有无旋磁场才能表示，因为标量势区域中的磁场必须沿闭合路径积分为零。在实际情况中，标量势区域不可能存在完全围住电流的闭合曲线。

在旋转机械的模拟中，选择适当的框架至关重要。通常选择固定的笛卡尔坐标系作为“实验室”框架，或选择跟随旋转点运动的材料框架。这两种框架在求解过程中产生的结果相同。默认情况下，空间框架坐标系使用小写字母（x, y, z），而材料框架使用大写字母（X, Y, Z）。在后处理过程中，物理量通常在空间框架中定义，以便与静止的定子形成对比。

在 COMSOL Multiphysics 中设置求解器时，应根据仿真需求选择稳态研究或瞬态步骤。稳态研究适用于模拟旋转机械在稳定状态下的行为，而瞬态步骤则用于研究旋转过程中的动态行为。在使用瞬态步骤时，确保为初始条件提供恰当的值至关重要。初始条件可以是零值，或者通过求解稳态步骤来提供。

总结，旋转机械的模拟是一个复杂且高级的主题。通过理解几何结构、选择合适的公式、设置正确的求解器参数以及选择恰当的框架，可以有效地模拟旋转机械。旋转机械，磁接口和磁场接口是进行此类模拟的强大工具。未来，我们将在后续的文章中深入探讨扇形对称在三维旋转机械模拟中的应用。敬请期待！