來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用

【前言】10年前,作為CFD仿真技術支持工程師的時候,最驕傲的一件事就是做了一個全電機的散熱仿真咨詢項目,雖然很辛苦,但項目的鍛煉價值極高,讓我在后續多年工作中都受益無窮。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖1

那個時候采用的是DM和ICEM交替來簡化電機模型,現在有了SCDM神器,模型處理效率大大提升。那個時候計算機硬件內存有限,網格劃分只能采用混合網格,用混合網格,模型又必須進行相應的等效和簡化,所以你除了要熟悉電機的工作原理,你還需要對電機組成結構的每一部分的功能和作用都了如指掌。而現在有了Ansys Fluent Meshing,網格劃分的效率大幅提升,針對Ansys CFD電機散熱仿真的關鍵技術包括:模型簡化、網格劃分、接地系數、絕緣處理、風扇罩處理、氣隙處理等等。

 

1

電機散熱仿真分析的必要性

電機是一種實現機電能量轉換的電磁裝置。從19世紀末期起,電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產機械的原動機。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。

電機冷卻的目的就是根據不同類型電機選擇一種合理冷卻方式,保證在額定運行狀態下,電機各部分溫度不超過國家標準允許的限值。電機的冷卻方式,主要是指對電機散熱采用什么冷卻介質和相應的流動途徑。改進電機的冷卻技術,對提高電機的利用系數和效率及增加可靠性和壽命,特別對提高大型電機的單機容量,都具有重要意義。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖2

為了找到最佳電機冷卻方式,需要對電機在工作過程中的核心流動問題進行CFD仿真分析。通常電機CFD仿真分析的核心即是電機散熱系統分析,涉及通風系統、通風部件、換熱部件的設計優化以及電機核心部件溫升(起動時及額定工況)等問題。

 

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電機散熱系統中涉及的流體問題

針對不同類型的電機,其散熱系統問題有所不同,概述起來包括以下幾類:

1)電機通風部件到整體的阻力特征精確分析(通風系統風路)

2)風扇性能分析及優化

3)風扇流致振動及氣動噪聲分析

4)冷卻器、換熱器風阻及性能優化

5)液冷管道性能優化分析

6)其它關鍵結構件散熱分析

7)全機通風散熱仿真分析(確認核心部件溫升及散熱系統設計)

3

電機CFD散熱仿真中的關鍵技術

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖3

3.1  

模型簡化

接線盒、吊環、單面的風扇罩、線圈、軸承、內部散片、基座、動域等如何簡化及處理,這里將會有大量的簡化技巧存在。

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來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖5

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖6

 

3.2

網格劃分

模型簡化是為網格劃分服務,那么混合網格會對模型簡化提出哪些要求?線圈及氣隙的網格如何處理?當然,現在Ansys Fluent Meshing已經讓這個問題變得無比簡單。利用其中的多面體網格或者馬賽克網格,工程師甚至不用特別關注氣隙這些特別結構的處理,設置好合適的網格參數,網格幾乎可以達到一鍵生成的地步。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖7

3.3  

接地系數

電機與大地接觸,那么很多工程師忽略了接地的散熱,那么接地的散熱是否應該忽略,依據是什么?

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖8

 

3.4  

絕緣處理

電機容易不容易出問題,就是絕緣會不會出問題,絕緣也會直接影響到電機的散熱性能,對絕緣的處理將直接影響到電機的散熱仿真結果。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖9

 

3.5  

風扇罩處理

風扇罩厚度及后面大量細小網孔,將會嚴重影響到整體網格劃分。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖10

 

3.6  

氣隙處理

定子和轉子之間的氣隙非常小,那么對它的處理方法有多種方式。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖11

 

3.7  

典型結果展示

通過仿真計算結果得到電機的溫度分布與客戶在試驗中測試得到的實驗值吻合較好,對客戶電機散熱性能的優化提出建設性的意見。

來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用的圖12

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Ansys CFD電機散熱仿真優勢總結

模型處理能力:該電機模型的處理采用的是ICEM和DM混合處理的方式,DM對于刪除倒角、鍵槽等非常方便,ICEM對類似吊環等處理較方便,并且對于模型的丟失及清補非常方便。Ansys在2014年收購的SCDM對于簡化電機這樣復雜模型將更方便。

網格劃分能力:電機模型相對較復雜,采用ICEM混合網格劃分策略可以大大降低網格數量,Ansys新推出的Fluent Meshing網格劃分模塊在處理類似電機這樣復雜模型,優勢更加明顯。

仿真求解能力:FLUENT具有豐富湍流模型適合各類工業湍流,具有多參考系物理模型處理類似電機風扇這類帶旋轉計算域模型,并且Interface插值功能可以高效處理混合網格劃分帶來的交界面數值誤差,在Interface插值過程中,還能自動生成接觸熱阻,該功能可回避薄壁模型的創建及網格劃分。

后處理能力:模型的顏色渲染及透明渲染功能強大,多工況的同步對比功能可以方便同步對比設計方案及提高后處理效率,針對速度、壓力場隨剖面位置動畫制作可以大大提高后處理的流場顯示效率,并且后處理模塊還能自動出仿真計算報告。

 

關于Ansys CFD

計算流體動力學 (CFD) 是一款操作靈活、結果精確、應用廣泛的仿真工具。Ansys CFD 不僅能提供定性結果,還可就流體的相互作用和平衡做出準確的定量預測,讓新手和專家用戶都能運行出色的 CFD 仿真。全新基于任務的工作流程有助于用戶開展更多的工作:只需進行簡單的學習便可在較短時間內準確地解決復雜問題。

 

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