寫在前面
仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
電氣母線/電母線（electric busbar，也寫為bus bar）是一種金屬棒、帶、管或桿，能以安全的方式將電流從一個地方傳導到另一個地方，并最大限度地降低能量損耗。在大電流配電、高壓設備和低壓電池應用中，它們通常用于代替電線或電纜。大多數母線配置都不是絕緣的，以改善對流冷卻，并方便實現新的連接。由于大多數母線使用較高壓三相電源，因此許多電氣母線系統包含三個獨立的導體，旨在安全高效地協同工作。
為電力應用設計母線的工程師必須在空間、成本、安全性、電阻、電容和電感（分支間或附近導電材料之間）、安裝選項和冷卻之間取得平衡。這些通常相互沖突的要求，使得電氣、磁性、熱和結構仿真對于設計過程至關重要。
電氣母線的常見用途
工程師將母線應用于電氣系統中，因為與電線或電纜相比，母線具有設計優勢。一些最常見的應用包括：
電力開關設備
開關設備在電力系統中用作開關、熔斷器和斷路器，用于保護、控制和電氣隔離電氣設備，通常在發電設施或變電站使用。母線連接變壓器、熔斷器和工業機械等組件，還可以在設備內部分配功率。
母線槽或母線槽系統
母線槽是包含母線或電纜的長形外殼，用作從一個位置到另一個位置的電源連接器。母線槽系統由包含母線的金屬管道或鑄造樹脂結構組成。在電力公用事業應用中，它們通常由嵌入混凝土中的管道構成。
配電柜中的銅母線
配電板
配電板用于建筑物中的電力分配，將輸入電源饋線分成單獨的電路。配電板可垂直或水平放置，電路通過分接頭連接。該系統會被放置在接地機柜中或較高處。
電池配電
母線是電動汽車和電力存儲應用中連接電池組的首選方式，因為其具有剛性和薄幾何結構。與大多數應用不同，電動汽車電池系統有時使用鋁制成的絕緣母線，而不是非絕緣銅母線，因為這樣可以減輕重量。
可再生能源系統
對于太陽能、風能、水力發電和其他可再生能源系統而言，效率至關重要。母線可提供一種高效、可靠和穩健的方法，用于在可再生能源應用使用的設備內傳輸和輸送電力，并具有更高的效率和靈活性。
工業機械
工業設備從母線配電板獲取電力，并在內部使用母線從電源饋線到通向系統內供電組件的饋線進行配電。
電子設備
雖然我們通常認為母線用于電力傳輸和大功率設備，但設計人員也會在電子設備中使用它們，尤其是在電力電子產品中。因為，其纖薄的外形尺寸和輕量化設計，是解決封裝問題或處理熱分布的理想選擇。
母線的類型
為滿足日益增長的應用需求，供應商開發了各種母線類型。母線可以按以下特征進行分類：
材料
供應商使用各種導電材料制造母線，但大多數使用銅或鋁。銅的導電性僅次于銀。鋁是導電性排名第四的金屬，但它比銅更輕，成本更低。鋁和銅母線通常都會電鍍錫、鎳或銀涂層，以減少腐蝕并提高整體性能。
形狀
由于趨膚效應和母線的傳熱，母線的形狀會影響其導電性。在大多數情況下，其目標是實現表面積與橫截面面積的較高比率。下面列出了最常見的形狀：
-
剛性母線（扁平母線）：最常用的是細長形狀的剛性母線，它們通常在制造時根據特定需求進行塑形。
-
特殊橫截面母線：某些母線采用“U”、“T”或“L”形橫截面，以提供更大的彎曲剛度、增加表面積并提供更多的連接選項。
-
層壓或柔性母線：柔性母線是由薄金屬帶或箔片層壓而成。這不僅使母線更靈活，而且還會增加總表面積，從而提高導電性。
-
圓形母線：具有實心或空心圓柱形橫截面的母線，可用于需要更大剛性、旋轉或安裝靈活性的大電流應用。
-
絕緣：區分母線類型的另一種方法，是看母線與周圍結構的絕緣方式。在某些情況下，母線會涂上一層絕緣聚合物，或者通過絕緣支架或隔離器進行絕緣并固定到位。
載流容量和類型
單相母線有兩個電路：一個是帶電電路，另一個是中性電路。三相母線使用四個導體，其中，每相各一個導體，余下一個作為中性電路運行。單相和三相母線處理交流電（AC）應用，而有些母線則傳輸直流電（DC）。
母線的優勢
工程師選擇采用母線的原因有很多，通常是出于成本、性能和安全性考慮。在大多數情況下，以下特征使得母線成為優于其他配電方案的選擇：
-
簡化配電：母線將許多電氣連接整合到一個中央集線器中，這就比復雜的布線更易于設計和維護。
-
幾何靈活性：母線幾乎可以構建成任何形狀，適用于幾乎任何應用。
-
連接簡便：母線不需要復雜的電氣連接。如果需要供電，只需將一根導線連接到表面。
-
外形尺寸：母線的薄型拓撲有助于在狹小空間中分配電力，比如在電池組、電子設備或工業機械中，都能看到這種結構。
-
剛性：母線的結構剛度消除了電纜管理的必要性。其可以提高結構的整體強度，并連接更長的距離。
-
成本效益：母線的成本低于布線方案，其安裝、維護和維修的成本也較低。
-
可持續性：由于母線主要由固體銅或鋁制成，因此易于回收利用。
仿真驅動母線設計
從不同類型的母線可以看出，工程師在材料、配置、涂層和幾何結構方面有許多選擇。多物理場仿真工具是設計流程的完美補充，因為它們提供了一種快速準確的方法來了解電磁場、熱源、傳熱和結構響應之間的相互作用。
工程師希望優化母線設計，以實現最高效率、安全運行并最大限度地降低成本。了解電路的布線情況后，他們就可以在諸如Ansys Maxwell®高級電磁場求解器等程序中創建低頻電磁模型，以計算電磁場、熱源以及由電阻、電容和電感引起的損耗。他們可以自動優化幾何結構，或進行假設研究，以確定母線中每個模塊的最佳形狀。
利用Ansys Maxwell進行三相母線上的電流密度仿真
如果應用涉及多個電路（如在三相應用中），工程師可以使用Ansys Q3D Extractor®寄生提取電磁仿真軟件對整個系統進行快速建模，并計算與頻率相關的電阻、電感、電容和電導（RLCG）寄生參數。
然后，部署Ansys Mechanical?結構有限元分析軟件等通用結構-熱工具，以查看熱應力，確保所有固有頻率都不是工作電氣頻率的倍數，并評估整體系統的剛度。
| 
