張楊

北京安世亞太公司

電機在運行時將產生各種損耗，這些損耗轉變成熱量，使電機各部件發熱，溫度升高。電機中的某些部件，特別是電機的絕緣，只能在一定的溫度限值內才能可靠工作。為維持電機的合理壽命，需要采取適當的措施將電機中的熱量散發出去，使其在允許的溫度限值內運行。

圖1 常見的液冷電機與CFD散熱仿真

通常，在電機設計的過程中，采用CFD方法進行建模和仿真，可以快速計算得到電機散熱情況和整體的溫度分布，從而為我們的電機設計提供重要的數據支撐。不過，由于電機內部部件較多，各部分的發熱與散熱情況復雜，因此想要進行高效又準確的CFD模擬，必須要對電機模型進行簡化才能達到目的。

當然，對計算模型的簡化，必然會帶來計算精度的損失，這一點是毋庸置疑的。如何權衡計算效率與結果誤差之間的關系，很大程度上取決于工程師的選擇，本文嘗試通過對通用的電機模型的簡化方法進行整理，從而提供一些方法供大家參考與選取。

 

既然提到簡化，就不得不簡單說一下電機CFD計算量巨大的根源。由于電機是高速旋轉的設備，而且轉子與定子之間還存在有非常狹窄的氣隙，對于這一區域，我們必須要保證相當數量的網格來維持計算精度。正是因為考慮了這一細長的區域，導致電機的網格數量都是非常巨大的；同時，這些細小的特征還是無法被簡化的。因此，我們盡量從其他的方面對電機的模型進行簡化，從而在某種程度上來降低計算規模。

                            

圖2 狹長的氣隙是導致電機CFD計算規模巨大的“罪魁禍首”

 

如下圖所示，是我們常見的電機設計CAD模型，不管我們采用RMPRT還是MotorCAD工具，都可以快速建立相對符合真實情況的三維模型。當然，CFD仿真通常是不會直接使用這一模型的，必須要進行一定量的簡化。

 

圖3 常見的電機設計CAD三維模型與簡化后的電機模型

 

• 一級簡化，繞組端部模型

這一部分的CAD通常都是首先被簡化的區域，由于繞組在兩端的形狀相對比較復雜，因此直接劃分這一部分的網格會導致網格數量巨大。因此，我們采用同心圓柱的方法對這一部分的銅線繞組進行簡化和等效，可以較大的減小網格的數量。

 

圖4 繞組端部簡化前后的模型展示

 

在此階段的簡化，需要等效計算前后銅線繞組的體積差別，此數值對源項的輸入數據會產生影響。簡化后的端部繞組發熱功率為：

• 一級簡化效能評估：優秀

精度損失	☆☆☆☆★	較小
計算效率提升	☆☆☆☆★	較大

 

• 二級簡化，轉子部件中磁鋼硅鋼的相互滲透

在CFD仿真中，固體內部區域僅計算熱傳導，同時，此結果對流場的速度和壓力分布也不造成任何影響，因此為了減小工作量，可以將轉子部件的磁鋼、硅鋼等固體建立成一個實體，從而有效減小網格數量。需要注意的是，兩部分的模型混合后，其材料屬性也必須要相應的進行更改，對于穩態問題，固體的熱導率是參與的仿真計算之中的，對于瞬態問題，密度和比熱也是會影響計算結果的，因此必須對材料的屬性進行修正

固體的等效屬性（如密度、比熱、熱導率等）計算方法為

同時，和端部繞組類似，修改后的轉子發熱功率為

圖5 轉子部件簡化前后的模型展示

• 二級簡化效能評估：良好

精度損失	☆☆☆☆★	較小
計算效率提升	☆☆☆★★	良好

 

• 三級簡化，銅線繞組與定子的結構耦合

與轉子的耦合方式類似，定子的繞組和鐵芯也可以進行同CAD模型的簡化，當然，由于定子的大部分區域距離氣隙位置較近，因此網格數量較多，所以該部分簡化更多的時候并不能帶來顯著的網格減少。當然，對應的精度損失也是存在的，因此，大部分情況下并不推薦使用該方法進行簡化。

等效材料的計算方法與轉子一致，文中不在贅述。

 

圖6 定子部件簡化前后的模型展示

• 三級簡化效能評估：較為合理

精度損失	☆☆☆☆★	較小
計算效率提升	☆☆★★★	中等

 

• 四級簡化，封閉空間內的空氣屬性

對于液冷或自然散熱等方式，電機內部存在有完全封閉的空氣區域，這一部分區域在建立模型的時候，還需要分成多個部分來匹配轉子和定子。因此，在CFD計算中，該區域的流場計算難以收斂，通常情況下需要更為密集的網格分布才能到達殘差的要求。為此，如果我們希望在仿真效率上有所提升，同時僅損失相對較小的精度時，可以考慮將流體屬性的空氣改成固體，并將熱導率進行一定的調整（通常是氣體的3-10倍），用以匹配對流換熱帶來的影響。此時，由于不需要計算流場方程，通常案例會非常容易收斂，還可以減小氣隙網格不足所帶來的影響。同時，該簡化方法也可以得到相對有效的仿真結果。

圖7固體化內部空氣的材料設定方法

 

• 四級簡化效能評估：可用

精度損失	☆☆★★★	中等
計算效率提升	☆☆☆☆★	較大

 

• 五級簡化，旋轉部件的簡化

電機雖然是高速旋轉的設備，但是經驗表明，部分轉速不那么高的電機散熱問題，在CFD仿真時可以不考慮電機的旋轉，同時也能得到精度差別不大的結果。此時，我們就可以完全將電機變成一個無運動的散熱裝置，類似于電子產品散熱仿真，此時，內部旋轉所帶來的流場問題就會被大大簡化，仍舊可以得到比較有說服力的定性結果。

需要注意的是，文中的五級簡化與四級簡化目標類似，都是通過避免流體計算的非線性來提升計算效率的，因此兩者選一即可。

 

 表 某小型電機的計算結果情況

轉速 (rev/min)	某監測點溫度 (℃)	水冷出口溫升 (℃)	說明
0	80.6	70.3	轉速較低時，簡化方案可行
500	80.7	70.4
1500	82.9	72.3	轉速較高時，誤差較大
3000	83.3	73.0
6000	85.1	74.1

 

•  五級簡化效能評估：特定情況下可用

精度損失	☆★★★★	較大
計算效率提升	☆☆☆☆★	較大

 

當然，實際上電機的簡化還有非常多的環節，比如風扇的簡化，1/2或者1/4以及周期對稱的簡化、機殼的散熱簡化等。但是這些問題都是和具體的電機類型相關，無法總結出一個規律性的結果。因此，就簡單總結以上五級簡化方案供大家參考。要效率還是要精度，一切都掌握在“您”的手中。