圖1 常見的液冷電機(jī)與CFD散熱仿真

通常，在電機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，采用CFD方法進(jìn)行建模和仿真，可以快速計(jì)算得到電機(jī)散熱情況和整體的溫度分布，從而為我們的電機(jī)設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。不過，由于電機(jī)內(nèi)部部件較多，各部分的發(fā)熱與散熱情況復(fù)雜，因此想要進(jìn)行高效又準(zhǔn)確的CFD模擬，必須要對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化才能達(dá)到目的。

當(dāng)然，對(duì)計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，必然會(huì)帶來計(jì)算精度的損失，這一點(diǎn)是毋庸置疑的。如何權(quán)衡計(jì)算效率與結(jié)果誤差之間的關(guān)系，很大程度上取決于工程師的選擇，本文嘗試通過對(duì)通用的電機(jī)模型的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行整理，從而提供一些方法供大家參考與選取。

 

既然提到簡(jiǎn)化，就不得不簡(jiǎn)單說一下電機(jī)CFD計(jì)算量巨大的根源。由于電機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，而且轉(zhuǎn)子與定子之間還存在有非常狹窄的氣隙，對(duì)于這一區(qū)域，我們必須要保證相當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)格來維持計(jì)算精度。正是因?yàn)榭紤]了這一細(xì)長(zhǎng)的區(qū)域，導(dǎo)致電機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量都是非常巨大的；同時(shí)，這些細(xì)小的特征還是無法被簡(jiǎn)化的。因此，我們盡量從其他的方面對(duì)電機(jī)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而在某種程度上來降低計(jì)算規(guī)模。

                            

圖2 狹長(zhǎng)的氣隙是導(dǎo)致電機(jī)CFD計(jì)算規(guī)模巨大的“罪魁禍?zhǔn)住?/span>

 

如下圖所示，是我們常見的電機(jī)設(shè)計(jì)CAD模型，不管我們采用RMPRT還是MotorCAD工具，都可以快速建立相對(duì)符合真實(shí)情況的三維模型。當(dāng)然，CFD仿真通常是不會(huì)直接使用這一模型的，必須要進(jìn)行一定量的簡(jiǎn)化。

 

圖3 常見的電機(jī)設(shè)計(jì)CAD三維模型與簡(jiǎn)化后的電機(jī)模型

 

• 一級(jí)簡(jiǎn)化，繞組端部模型

這一部分的CAD通常都是首先被簡(jiǎn)化的區(qū)域，由于繞組在兩端的形狀相對(duì)比較復(fù)雜，因此直接劃分這一部分的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大。因此，我們采用同心圓柱的方法對(duì)這一部分的銅線繞組進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效，可以較大的減小網(wǎng)格的數(shù)量。

 

圖4 繞組端部簡(jiǎn)化前后的模型展示

 

在此階段的簡(jiǎn)化，需要等效計(jì)算前后銅線繞組的體積差別，此數(shù)值對(duì)源項(xiàng)的輸入數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生影響。簡(jiǎn)化后的端部繞組發(fā)熱功率為：

• 一級(jí)簡(jiǎn)化效能評(píng)估：優(yōu)秀

精度損失	☆☆☆☆★	較小
計(jì)算效率提升	☆☆☆☆★	較大

 

• 二級(jí)簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)子部件中磁鋼硅鋼的相互滲透

在CFD仿真中，固體內(nèi)部區(qū)域僅計(jì)算熱傳導(dǎo)，同時(shí)，此結(jié)果對(duì)流場(chǎng)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(zhuǎn)子部件的磁鋼、硅鋼等固體建立成一個(gè)實(shí)體，從而有效減小網(wǎng)格數(shù)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(yīng)的進(jìn)行更改，對(duì)于穩(wěn)態(tài)問題，固體的熱導(dǎo)率是參與的仿真計(jì)算之中的，對(duì)于瞬態(tài)問題，密度和比熱也是會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的，因此必須對(duì)材料的屬性進(jìn)行修正

固體的等效屬性（如密度、比熱、熱導(dǎo)率等）計(jì)算方法為

同時(shí)，和端部繞組類似，修改后的轉(zhuǎn)子發(fā)熱功率為

圖5 轉(zhuǎn)子部件簡(jiǎn)化前后的模型展示

• 二級(jí)簡(jiǎn)化效能評(píng)估：良好

精度損失	☆☆☆☆★	較小
計(jì)算效率提升	☆☆☆★★	良好

 

• 三級(jí)簡(jiǎn)化，銅線繞組與定子的結(jié)構(gòu)耦合

與轉(zhuǎn)子的耦合方式類似，定子的繞組和鐵芯也可以進(jìn)行同CAD模型的簡(jiǎn)化，當(dāng)然，由于定子的大部分區(qū)域距離氣隙位置較近，因此網(wǎng)格數(shù)量較多，所以該部分簡(jiǎn)化更多的時(shí)候并不能帶來顯著的網(wǎng)格減少。當(dāng)然，對(duì)應(yīng)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(jìn)行簡(jiǎn)化。

等效材料的計(jì)算方法與轉(zhuǎn)子一致，文中不在贅述。

 

圖6 定子部件簡(jiǎn)化前后的模型展示

• 三級(jí)簡(jiǎn)化效能評(píng)估：較為合理

精度損失	☆☆☆☆★	較小
計(jì)算效率提升	☆☆★★★	中等

 

• 四級(jí)簡(jiǎn)化，封閉空間內(nèi)的空氣屬性

對(duì)于液冷或自然散熱等方式，電機(jī)內(nèi)部存在有完全封閉的空氣區(qū)域，這一部分區(qū)域在建立模型的時(shí)候，還需要分成多個(gè)部分來匹配轉(zhuǎn)子和定子。因此，在CFD計(jì)算中，該區(qū)域的流場(chǎng)計(jì)算難以收斂，通常情況下需要更為密集的網(wǎng)格分布才能到達(dá)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(shí)僅損失相對(duì)較小的精度時(shí)，可以考慮將流體屬性的空氣改成固體，并將熱導(dǎo)率進(jìn)行一定的調(diào)整（通常是氣體的3-10倍），用以匹配對(duì)流換熱帶來的影響。此時(shí)，由于不需要計(jì)算流場(chǎng)方程，通常案例會(huì)非常容易收斂，還可以減小氣隙網(wǎng)格不足所帶來的影響。同時(shí)，該簡(jiǎn)化方法也可以得到相對(duì)有效的仿真結(jié)果。

圖7固體化內(nèi)部空氣的材料設(shè)定方法

 

• 四級(jí)簡(jiǎn)化效能評(píng)估：可用

精度損失	☆☆★★★	中等
計(jì)算效率提升	☆☆☆☆★	較大

 

• 五級(jí)簡(jiǎn)化，旋轉(zhuǎn)部件的簡(jiǎn)化

電機(jī)雖然是高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，但是經(jīng)驗(yàn)表明，部分轉(zhuǎn)速不那么高的電機(jī)散熱問題，在CFD仿真時(shí)可以不考慮電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也能得到精度差別不大的結(jié)果。此時(shí)，我們就可以完全將電機(jī)變成一個(gè)無運(yùn)動(dòng)的散熱裝置，類似于電子產(chǎn)品散熱仿真，此時(shí)，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)所帶來的流場(chǎng)問題就會(huì)被大大簡(jiǎn)化，仍舊可以得到比較有說服力的定性結(jié)果。

需要注意的是，文中的五級(jí)簡(jiǎn)化與四級(jí)簡(jiǎn)化目標(biāo)類似，都是通過避免流體計(jì)算的非線性來提升計(jì)算效率的，因此兩者選一即可。

 

 表 某小型電機(jī)的計(jì)算結(jié)果情況

轉(zhuǎn)速 (rev/min)	某監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度 (℃)	水冷出口溫升 (℃)	說明
0	80.6	70.3	轉(zhuǎn)速較低時(shí)，簡(jiǎn)化方案可行
500	80.7	70.4
1500	82.9	72.3	轉(zhuǎn)速較高時(shí)，誤差較大
3000	83.3	73.0
6000	85.1	74.1

 

•  五級(jí)簡(jiǎn)化效能評(píng)估：特定情況下可用

精度損失	☆★★★★	較大
計(jì)算效率提升	☆☆☆☆★	較大

 

當(dāng)然，實(shí)際上電機(jī)的簡(jiǎn)化還有非常多的環(huán)節(jié)，比如風(fēng)扇的簡(jiǎn)化，1/2或者1/4以及周期對(duì)稱的簡(jiǎn)化、機(jī)殼的散熱簡(jiǎn)化等。但是這些問題都是和具體的電機(jī)類型相關(guān)，無法總結(jié)出一個(gè)規(guī)律性的結(jié)果。因此，就簡(jiǎn)單總結(jié)以上五級(jí)簡(jiǎn)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。