Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用


【前言】10年前,作為CFD仿真技術(shù)支持工程師的時(shí)候,最驕傲的一件事就是做了一個(gè)全電機(jī)的散熱仿真咨詢項(xiàng)目,雖然很辛苦,但項(xiàng)目的鍛煉價(jià)值極高,讓我在后續(xù)多年工作中都受益無(wú)窮。


Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖1

那個(gè)時(shí)候采用的是DM和ICEM交替來(lái)簡(jiǎn)化電機(jī)模型,現(xiàn)在有了SCDM神器,模型處理效率大大提升。那個(gè)時(shí)候計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存有限,網(wǎng)格劃分只能采用混合網(wǎng)格,用混合網(wǎng)格,模型又必須進(jìn)行相應(yīng)的等效和簡(jiǎn)化,所以你除了要熟悉電機(jī)的工作原理,你還需要對(duì)電機(jī)組成結(jié)構(gòu)的每一部分的功能和作用都了如指掌。而現(xiàn)在有了Ansys Fluent Meshing,網(wǎng)格劃分的效率大幅提升,針對(duì)Ansys CFD電機(jī)散熱仿真的關(guān)鍵技術(shù)包括:模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、接地系數(shù)、絕緣處理、風(fēng)扇罩處理、氣隙處理等等。

 

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電機(jī)散熱仿真分析的必要性


電機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置。從19世紀(jì)末期起,電動(dòng)機(jī)就逐漸代替蒸汽機(jī)作為拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的原動(dòng)機(jī)。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生各種損耗,這些損耗轉(zhuǎn)變成熱量,使電機(jī)各部件發(fā)熱,溫度升高。電機(jī)中的某些部件,特別是電機(jī)的絕緣,只能在一定的溫度限值內(nèi)才能可靠工作。為維持電機(jī)的合理壽命,需要采取適當(dāng)?shù)拇胧㈦姍C(jī)中的熱量散發(fā)出去,使其在允許的溫度限值內(nèi)運(yùn)行。

 

電機(jī)冷卻的目的就是根據(jù)不同類型電機(jī)選擇一種合理冷卻方式,保證在額定運(yùn)行狀態(tài)下,電機(jī)各部分溫度不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的限值。電機(jī)的冷卻方式,主要是指對(duì)電機(jī)散熱采用什么冷卻介質(zhì)和相應(yīng)的流動(dòng)途徑。改進(jìn)電機(jī)的冷卻技術(shù),對(duì)提高電機(jī)的利用系數(shù)和效率及增加可靠性和壽命,特別對(duì)提高大型電機(jī)的單機(jī)容量,都具有重要意義。


Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖2

 

為了找到最佳電機(jī)冷卻方式,需要對(duì)電機(jī)在工作過(guò)程中的核心流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行CFD仿真分析。通常電機(jī)CFD仿真分析的核心即是電機(jī)散熱系統(tǒng)分析,涉及通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)部件、換熱部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及電機(jī)核心部件溫升(起動(dòng)時(shí)及額定工況)等問(wèn)題。

 

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電機(jī)散熱系統(tǒng)中涉及的流體問(wèn)題


針對(duì)不同類型的電機(jī),其散熱系統(tǒng)問(wèn)題有所不同,概述起來(lái)包括以下幾類:

1)電機(jī)通風(fēng)部件到整體的阻力特征精確分析(通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路)

2)風(fēng)扇性能分析及優(yōu)化

3)風(fēng)扇流致振動(dòng)及氣動(dòng)噪聲分析

4)冷卻器、換熱器風(fēng)阻及性能優(yōu)化

5)液冷管道性能優(yōu)化分析

6)其它關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件散熱分析

7)全機(jī)通風(fēng)散熱仿真分析(確認(rèn)核心部件溫升及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì))


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電機(jī)CFD散熱仿真中的關(guān)鍵技術(shù)


Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖3


3.1  

模型簡(jiǎn)化

接線盒、吊環(huán)、單面的風(fēng)扇罩、線圈、軸承、內(nèi)部散片、基座、動(dòng)域等如何簡(jiǎn)化及處理,這里將會(huì)有大量的簡(jiǎn)化技巧存在。

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖4

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖5

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖6

 

3.2

網(wǎng)格劃分

模型簡(jiǎn)化是為網(wǎng)格劃分服務(wù),那么混合網(wǎng)格會(huì)對(duì)模型簡(jiǎn)化提出哪些要求?線圈及氣隙的網(wǎng)格如何處理?當(dāng)然,現(xiàn)在Ansys Fluent Meshing已經(jīng)讓這個(gè)問(wèn)題變得無(wú)比簡(jiǎn)單。利用其中的多面體網(wǎng)格或者馬賽克網(wǎng)格,工程師甚至不用特別關(guān)注氣隙這些特別結(jié)構(gòu)的處理,設(shè)置好合適的網(wǎng)格參數(shù),網(wǎng)格幾乎可以達(dá)到一鍵生成的地步。

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖7


3.3  

接地系數(shù)

電機(jī)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(yīng)該忽略,依據(jù)是什么?

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖8

 

3.4  

絕緣處理

電機(jī)容易不容易出問(wèn)題,就是絕緣會(huì)不會(huì)出問(wèn)題,絕緣也會(huì)直接影響到電機(jī)的散熱性能,對(duì)絕緣的處理將直接影響到電機(jī)的散熱仿真結(jié)果。

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖9

 

3.5  

風(fēng)扇罩處理

風(fēng)扇罩厚度及后面大量細(xì)小網(wǎng)孔,將會(huì)嚴(yán)重影響到整體網(wǎng)格劃分。

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖10

 

3.6  

氣隙處理

定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙非常小,那么對(duì)它的處理方法有多種方式。

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖11

 

3.7  

典型結(jié)果展示

通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果得到電機(jī)的溫度分布與客戶在試驗(yàn)中測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)值吻合較好,對(duì)客戶電機(jī)散熱性能的優(yōu)化提出建設(shè)性的意見(jiàn)。

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖12

Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用的圖13

 

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Ansys CFD電機(jī)散熱仿真優(yōu)勢(shì)總結(jié)


模型處理能力:該電機(jī)模型的處理采用的是ICEM和DM混合處理的方式,DM對(duì)于刪除倒角、鍵槽等非常方便,ICEM對(duì)類似吊環(huán)等處理較方便,并且對(duì)于模型的丟失及清補(bǔ)非常方便。Ansys在2014年收購(gòu)的SCDM對(duì)于簡(jiǎn)化電機(jī)這樣復(fù)雜模型將更方便。


網(wǎng)格劃分能力:電機(jī)模型相對(duì)較復(fù)雜,采用ICEM混合網(wǎng)格劃分策略可以大大降低網(wǎng)格數(shù)量,Ansys新推出的Fluent Meshing網(wǎng)格劃分模塊在處理類似電機(jī)這樣復(fù)雜模型,優(yōu)勢(shì)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(yè)湍流,具有多參考系物理模型處理類似電機(jī)風(fēng)扇這類帶旋轉(zhuǎn)計(jì)算域模型,并且Interface插值功能可以高效處理混合網(wǎng)格劃分帶來(lái)的交界面數(shù)值誤差,在Interface插值過(guò)程中,還能自動(dòng)生成接觸熱阻,該功能可回避薄壁模型的創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分。


后處理能力:模型的顏色渲染及透明渲染功能強(qiáng)大,多工況的同步對(duì)比功能可以方便同步對(duì)比設(shè)計(jì)方案及提高后處理效率,針對(duì)速度、壓力場(chǎng)隨剖面位置動(dòng)畫(huà)制作可以大大提高后處理的流場(chǎng)顯示效率,并且后處理模塊還能自動(dòng)出仿真計(jì)算報(bào)告。

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