電機快速熱仿真方法

集總參數熱模型

集總參數熱模型（Lumped Parameters Thermal Model ）是根據傳熱學基本定律和電路理論，將分布熱源和熱阻等效為少量的集中熱源和熱阻，為電機建立等效熱路（網絡）模型，通過電路理論分析求解熱路模型，得到電機各部件溫度的方法。熱路模型中的熱源為電機各部分損耗：繞組銅耗、定轉子鐵心的鐵耗、永磁體損耗和摩擦損耗。熱阻可以根據理論公式、經驗公式和實驗數據計算得到。這種方法優點是：模型簡單、計算量小，在電機參數優化過程中能夠快速地計算電機溫度。

FluxMotor 和Flow Simulator耦合分析

電機快速熱仿真

FluxMotor用于電機的概念設計，以較短時間進行電磁性能、散熱冷卻策略和結構 NVH 評估的仿真。從v2024.1版本開始，用戶可以在FluxMotor模塊中導出電機的集總參數熱路模型，并調用一維流體CFD模塊Flow Simulator求解，通常穩態溫度場計算僅需十幾秒。

FluxMotor 的熱設計

? Step1：選擇電機結構形式

Topology

• 定子和轉子尺寸，級數
• 氣隙

HOUSING（殼體冷卻方式）

• 機座尺寸
• 散熱筋布局（徑向/平行）
• 水冷回路（zig-zag/Solenoid/user define）

SHAFT 

• 主軸和軸承尺寸

? Step2：轉子和定子電磁參數

Rotor

• Magnet永磁體參數
• Polarization極化參數

Stator

• Slot定子槽參數 
• Winding繞組參數

? Step3：冷卻參數

External 外表面冷卻模式

• 自然對流冷卻
• 強迫風冷

Internal 內表面冷卻模式

• 自然對流冷卻
• 強迫風冷
• 接觸熱阻
• 等效槽內熱模型

? Step4：選擇材料庫

• 殼體，主軸，軸承
• 轉子磁體
• 定子絕緣，磁鋼，線圈
• 流體材料

? Step5：Test 虛擬測試

• 用戶可以根據之前步驟輸入的電磁參數和熱參數，進行電機的虛擬性能測試。
• Thermal根據電機運行參數分析的鐵損，銅損和機械損耗進行溫度場的計算。

從FluxMotor的溫度場快速分析結果可以顯示：

• 電機能否在目標工作點運行而不會出現過熱？
• 不同類型的冷卻是否有助于達到良好的性能？

? Step6：Export 數據導出

• 在Advanced Tools工具欄中，點擊Flow Simulator，導出電機的熱路模型，文件包含后綴名*flo的模型數據，以及*png圖片。
• 用戶可以在Flow Simulator中基于現有模板，進一步細化電機熱路模型，提高分析精度。

? Step7：Flow Simulator中打開*flo文件，查看電機熱路模型。

FluxMotor導出的電機熱路模型默認從兩個維度創建：軸向和徑向。按區域可分為以下幾組：轉子，定子，繞組，氣隙，端部空間，軸承，主軸，殼體，以及熱輻射網絡。每組自動打包成一個Group，用單個顏色盒子顯示，雙擊可以解壓展開。這樣用Group分組顯示復雜的熱網絡模型，方便用戶查看。

電機軸向熱網絡（Group view）

電機軸向熱網絡（Group展開圖）

電機徑向熱網絡（Group view）

軸向和徑向熱網絡圖

永磁體，磁鋼，繞組等相鄰固體之間存在接觸熱阻，材料本身內部也存在熱阻。空氣和固體表面存在對流冷卻，和局部流速有關。不直接接觸的固體表面之間還存在熱輻射交換熱量。FluxMotor自動搭建出星形熱網絡，該網絡共包含約200個基本的傳導，對流，輻射等元器件，極大的提高了建模效率。

對于這款電機，轉子采用插入式永磁體，轉子表面覆蓋著一層薄的金屬，對傳熱的影響不能忽略，熱網絡模型在自動生成的時候也考慮到了這點。

定子和轉子熱網絡（局部）

 (a)轉子熱網絡

 (b)定子熱網絡

Flow Simulator一維CFD模型

基本的熱網絡是通過搭建若干個convector, conductor, radiator熱單元組合，描述復雜的熱系統。如果系統內必須求解流體的溫度變化，通過搭建若干個tube, fan, pump, junction, orifice等流動單元組成流動網絡，描述冷卻系統。

Flow Simulator的熱單元庫

一維Thermal Network模型

• 流動網絡和熱網絡可以耦合，交換熱量。例如電機殼體的液冷通道，可以計算出冷卻液的溫升，壓力降。
• 可計算穩態溫度場或瞬態溫度變化過程。

Flow Simulator 的分析類型

管路外冷卻（Thermal Network）+ 管內流動（Flow Network）

電機熱網絡模型搭建完成后，可執行Muticase多工況，優化和參數敏感性分析。例如，對于電機的氣隙尺寸，磁鋼導熱系數，絕緣材料厚度，冷卻液流量等參數設定變化范圍，分析對溫度影響最大的參數。

Flow Simulator的電機冷卻模型

氣隙冷卻：空氣在狹窄的環形通道中流動，冷卻定子內表面和轉子外表面，研究表明流態呈現復雜的環形Taylor-Couette流，換熱系數采用Taylor Rotating Gap模型計算。

氣隙冷卻模型

? Taylor Rotating Gap 理論公式

氣隙的Taylor數

Nusselt數計算公式

氣隙的對流換熱系數

Motor End Space Convection 端部冷卻：可分為5類：

1. 轉子端部
2. 定子端部
3. 軸端部
4. 繞組端部
5. 殼體端部

電機內部空氣冷卻主要是轉子高速旋轉帶動，FlowSimulator根據電機形狀和轉速確定相應的對流換熱系數HTC。

電機端部冷卻模型

? Motor End Space Convection理論公式

? 電機外殼體冷卻：根據散熱翅片的布局和尺寸參數計算HTC

電機外殼體冷卻模型

? 散熱片冷卻理論公式

豎直散熱片

水平散熱片

液冷通道：根據通道的尺寸，材料，表面粗糙度，冷卻液流量計算HTC。

液冷通道計算模型

? 液冷通道的理論公式

雷諾數

層流Nusselt數

湍流Nusselt數

液冷對流換熱系數

? 沖擊式冷卻

功率密度高的電機會采用沖擊冷卻，讓冷卻油直接和端部繞組等高溫部件接觸帶走熱量。

敞開式沖擊冷卻

浸沒式沖擊冷卻

沖擊冷卻模型

? Impingement 模型理論公式

液體沖擊冷卻的Nusselt數

? 沖擊冷卻模型驗證試驗

噴嘴尺寸

熱源表面熱電偶位置

不同噴嘴的Nusselt數

電機驗證模型

• 永磁同步電機，額定功率75kw。
• 測試采用兩種工作模式：正弦電流，PWM逆變器。

電機外觀

電機參數

電機內部熱電偶（紅點）

電機外部熱電偶

電機兩種工作模式下的損耗

不帶變頻器的電機溫度

仿真和試驗對比

帶變頻器的電機溫度

仿真和試驗對比

? Flow Simulator熱網絡模型計算結果（穩態溫度場）

Flow Simulator電機溫度（不帶變頻器）

本期的電機一維CFD快速熱仿真分享就到這里啦，下一期我們將分享更多實用功能，敬請期待。

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