電機熱仿真的案例
高功率密度電機的熱仿真分析
電機是由定轉子、機殼、端蓋等組成的復雜機械裝配體，考慮到機械尺寸較小的零部件對電機溫度影響較小，在進行熱仿真分析時對其進行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對電機仿真模型進行了簡化處理：忽略螺釘、墊片等零件；忽略倒角、退刀槽等；忽略輻射的影響；對定子繞組與沖片進行了等效處理，將其等效為均質材料。
通過電機電磁計算，該型號高空飛行器驅動電機在額定功率運行時發熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設定為發熱源，并定義發熱量為1 600 W，對電機進行熱仿真分析。
2 三維熱場仿真
針對高空環境下電機周圍實際的氣壓、溫度、風速等環境因素，項目組聯合北京航空航天大學特種電機研究中心進行電機實際運行環境的仿真分析，根據對方給出數據，項目組選擇6組相對有代表性的環境因素對該電機進行熱分析計算，6種環境工況如表1所示。
表1 電機熱仿真六種工況
通過軟件對電機模型進行簡化、分解等系列處理，著重分析電機定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計算結果如下。
1)電機在地面運行時的分析結果
對不帶散熱器的電機與帶散熱器的電機2種情況進行熱仿真分析。對幾組不同散熱筋尺寸的電機進行仿真，結合電機質量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結構。
(a) 不帶散熱器的電機仿真結果
不帶散熱器的電機仿真結果如圖2所示。
圖2 不帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖
(b) 帶散熱器的電機仿真結果
由圖2熱仿真結果可以看出，不帶散熱器的電機散熱效果差，定子溫度達到了200 ℃以上。電機設計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行在150 ℃設計，該電機無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設計一款合理的散熱器。
展開 高功率密度電機的熱仿真分析
電機是由定轉子、機殼、端蓋等組成的復雜機械裝配體，考慮到機械尺寸較小的零部件對電機溫度影響較小，在進行熱仿真分析時對其進行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對電機仿真模型進行了簡化處理：忽略螺釘、墊片等零件；忽略倒角、退刀槽等；忽略輻射的影響；對定子繞組與沖片進行了等效處理，將其等效為均質材料。
通過電機電磁計算，該型號高空飛行器驅動電機在額定功率運行時發熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設定為發熱源，并定義發熱量為1 600 W，對電機進行熱仿真分析。
2 三維熱場仿真
針對高空環境下電機周圍實際的氣壓、溫度、風速等環境因素，項目組聯合北京航空航天大學特種電機研究中心進行電機實際運行環境的仿真分析，根據對方給出數據，項目組選擇6組相對有代表性的環境因素對該電機進行熱分析計算，6種環境工況如表1所示。
表1 電機熱仿真六種工況
通過軟件對電機模型進行簡化、分解等系列處理，著重分析電機定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計算結果如下。
1)電機在地面運行時的分析結果
對不帶散熱器的電機與帶散熱器的電機2種情況進行熱仿真分析。對幾組不同散熱筋尺寸的電機進行仿真，結合電機質量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結構。
(a) 不帶散熱器的電機仿真結果
不帶散熱器的電機仿真結果如圖2所示。
圖2 不帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖
(b) 帶散熱器的電機仿真結果
由圖2熱仿真結果可以看出，不帶散熱器的電機散熱效果差，定子溫度達到了200 ℃以上。電機設計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行在150 ℃設計，該電機無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設計一款合理的散熱器。
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電機是由定轉子、機殼、端蓋等組成的復雜機械裝配體，考慮到機械尺寸較小的零部件對電機溫度影響較小，在進行熱仿真分析時對其進行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對電機仿真模型進行了簡化處理：忽略螺釘、墊片等零件；忽略倒角、退刀槽等；忽略輻射的影響；對定子繞組與沖片進行了等效處理，將其等效為均質材料。
通過電機電磁計算，該型號高空飛行器驅動電機在額定功率運行時發熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設定為發熱源，并定義發熱量為1 600 W，對電機進行熱仿真分析。
2 三維熱場仿真
針對高空環境下電機周圍實際的氣壓、溫度、風速等環境因素，項目組聯合北京航空航天大學特種電機研究中心進行電機實際運行環境的仿真分析，根據對方給出數據，項目組選擇6組相對有代表性的環境因素對該電機進行熱分析計算，6種環境工況如表1所示。
表1 電機熱仿真六種工況
通過軟件對電機模型進行簡化、分解等系列處理，著重分析電機定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計算結果如下。
1)電機在地面運行時的分析結果
對不帶散熱器的電機與帶散熱器的電機2種情況進行熱仿真分析。對幾組不同散熱筋尺寸的電機進行仿真，結合電機質量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結構。
(a) 不帶散熱器的電機仿真結果
不帶散熱器的電機仿真結果如圖2所示。
圖2 不帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖
(b) 帶散熱器的電機仿真結果
由圖2熱仿真結果可以看出，不帶散熱器的電機散熱效果差，定子溫度達到了200 ℃以上。電機設計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行在150 ℃設計，該電機無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設計一款合理的散熱器。
展開 CFD專欄丨電機一維CFD快速熱仿真
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。
展開 
【12月5-8日 北京】新能源汽車電機仿真分析專題
一、8個實例模型貼近工程實戰操作：
案例01：水冷電機額定工況熱仿真分析
案例02：水冷電機峰值工況熱仿真分析
案例03：峰值扭矩工況下轉軸強度分析
案例04：1.2倍最高轉速工況下轉子沖片強度分析
案例05：溫度載荷、最高轉速、峰值扭矩工況下轉子與轉軸最小過盈量分析計算
案例06：溫度載荷、峰值扭矩工況下定子與殼體最大過盈量強度分析
案例07：定子總成模態分析計算
案例08：電機電磁力振動噪聲仿真分析計算
二、與同行差異化、效果保證：
1、實戰：專注CAE仿真計算12年，有自己的超算中心，積累了大量的項目工程案例
2、原理：帶領學員訓練實操過程，注重步驟和設置原理
3、系統：7600+學員反饋、工程實例更新與精選，形成系統的版權知識體系
4、響應：自主師資與合伙人模式，可直接對接客戶問題，即時做出響應
5、效果：所有學員提供高配筆記本、工程模型、電子資料、操作軟件、操作指導與反饋
三、課程收益
通過本課程，學員能夠學習到新能源汽車電機四大模塊的仿真分析方法，涵蓋了電機絕大部分仿真方面的工作，包括：1，電機流體熱仿真分析方法，包括：模型前處理及技巧、求解計算及監視求解過程、結果后處理等方面；2，電機重點零部件強度分析方法，包括：轉子沖片強度分析、轉軸和轉子連接強度分析、定子和殼體連接強度分析、過盈連接最大最小過盈量確定等；3，電機重點零部件模態分析方法；4，電機電磁振動噪聲仿真分析方法，包括：永磁同步電機典型噪聲及發生原理、電磁力提取、振動噪聲分析方法等。本次課程以介紹分析方法為主，每種方法配以實際算例，以便學員能夠更好的掌握。
展開 基于磁路法與等效熱網絡法的航天永磁同步電機設計與仿真
節點13和節點24之間的等效散熱面積為
散熱系數，則外端部繞組熱導為繞組外端過渡圓半徑，為定子槽底到槽口的高度，為轉子表面線速度。
式中，Nt1和Nt2為導線并繞根數，分別為并繞導線直徑，Ns為每槽導體數，為繞組外端伸出長度，為銅繞組導熱系數。
在穩態情況下，根據熱平衡原理，節點6產生的熱量加上其他節點傳入節點6的熱量等于從節點6流出的熱量，可得節點6的熱平衡方程
2.3
熱網絡法仿真實例
利用第2節確定的電機參數，結合本節搭建的熱網絡模型，在表2中的典型工況下，假設初始環境溫度為25℃，散熱條件為自然風冷，仿真獲得的電機繞組端部及殼體的溫升曲線如圖2所示。從圖中可以看出,第2節電磁設計得到的電機方案，經過245s熱仿真，電機繞組端部溫度最高達到了115.2℃，殼體溫度達到97.74℃(受漆包線最高承溫限制，通常要求不超過200℃)。因此，表3電機方案滿足初步階段熱設計需求。
03
電機磁熱快速設計仿真方法校驗
為驗證所提方法的正確性及計算結果的準確度，將本文所提方法獲得的仿真結果分別與成熟商業軟件的仿真結果、實物試驗結果進行比對。其中電磁分析選用ANSYS/Rmxprt電機快速設計軟件，表4給出了商軟仿真結果、磁路法計算結果和樣機實測結果及其相對誤差。可以看出，磁路法與商軟的誤差最大為6.07%，最小為1.66%；而與實物樣機之間的最大誤差低于10%。
為與實物樣機溫升數據做對比，將溫升試驗工況(表5所示)賦予熱網絡模型中，其中初始溫度為38.1℃，得到繞組端部溫升仿真與試驗對比曲線，如圖3所示，具體數據及誤差如表6所示。
展開 Simcenter Amesim電機仿真：電機熱分析應用
端蓋內部空間的換熱對溫升會產生重要影響，因此不可忽略。端蓋內部空間和電機的旋轉以及固定部件都有熱交換，尤其是端部繞組。對于轉子端面而言，空氣與轉子的相對速度以半徑1/2處的對應速度為基準進行計算；對于定子端面而言，由于空氣會被轉子帶動，這里以轉子外緣處的空氣流速為基準，進行適當修正后用于計算。修正系數的取值取決于轉子端面的外形，如有無溝槽等，以及端部繞組的幾何設計。因此如果需要得到精確的修正系數，推薦采用CFD軟件對特定端部外形進行詳細分析。
圖4 端部對流換熱模型
該電機的冷卻回路由殼體內的三條冷卻水道構成，因此殼體的在熱模型上以冷卻水道為界被劃分為內部殼體和外部殼體。內部殼體與定子軛存在熱交換，外部殼體與空氣存在熱交換，同時兩者都與端蓋存在熱交換。結構上，三條水道為串聯關系，因此在建立熱模型時將它們用一個換熱模塊表示，該模塊參數包含了三條水道的總長度。
圖5 電機水道實物圖（左）及其模型（右）
3. 仿真計算
通過建立電機的等效熱路模型，根據使用工況可以計算出所有關鍵部位（18個熱節點）的溫度變化過程。從而幫助設計人員掌握關鍵部位可能出現的溫度極值，進而一方面為確定使用過程中的最大許用邊界提供參考依據，另一方面為電機的設計改進提供參考基準。
圖6 電機各部位的溫度變換過程
圖7 電機各部位的溫度極值
在Simcenter Amesim中的控件面板上，設計人員可以對照熱路原理圖查看任何時刻電機內部的溫度分布情況，如下圖所示。
展開 電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
電機散熱邊界條件為：冷卻介質流量8L/min，電機入水口水溫70℃，電機初始溫度和環境溫度均為70℃，外部對流換熱系數為8W/(m2·K)。在此條件下，對額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m和峰值工況點55kW@3600RPM@147N.m@30S的電機散熱情況進行熱仿真分析。
額定工況下熱仿真分析
在額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m下，對永磁同步電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構件的溫度場進行分析，其結果如圖3所示。分析發現，電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構部分中，電機裸銅線溫度最高，其最高溫度為138.2℃，所處位置為電機繞組端部。
展開 “新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合” 高級設計仿真培訓
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設計仿真培訓
一、課程背景：
永磁驅動電機是新能源汽車行駛中的主要執行結構，驅動電機及其控制系統是新能源汽車的核心部件之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因為永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們知道電機內存在多種不同類型的多場耦合系統，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，這是新的電機研究方向。對現下電機設計工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計算加經驗修正已經滿足不了當下的競爭需求，電機工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析驅動電機，得到其電磁場、熱場、振動等結果。為此宏新環宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設計仿真培訓。
展開 新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與熱仿真管理分析
如圖所示，模型預測的熱阻結果與實驗數據吻合較好，驗證了表1和表2所示的實測構件熱性能和接觸電阻值。同樣值得注意的是，模型捕捉到了在最低流速下熱阻值的急劇增加。
圖8熱路徑
然后利用該模型計算了從內槽襯板到冷卻劑的溫度分布。如圖8所示的溫度剖面用于確定定子內部的主要熱瓶頸。圖8顯示無源堆棧組件(從槽襯到狀態到冷卻夾套界面)是定子內部的主要熱阻。此外，槽形繞組與定子之間的界面是無源堆中最大的熱瓶頸。因此，提高電機的熱工性能需要提高槽繞組與槽襯之間、槽襯與定子表面之間的接觸電阻。提高樹脂的導熱性，提高樹脂將槽襯與定子表面粘結的能力，應可降低這種熱阻。
針對上面所提到的有關電機電機水冷部分，我們開發了本程課，新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與ANSYS ICEPAK熱仿真課程，本教程以一款新能源汽車的15.5KW無刷FOC控制水冷電機的理論設計過程與散熱仿真過程為例，通過從設計參數的整理為基礎，講解根據電機的損耗參數去如何選取水冷管道的開口面積，依據水冷管道的開口，再結合電機的相關參數，通過理論方法設計整機的水冷管道的換熱系數與冷卻面積的匹配。再根據相關的計算結果參數進行整機的散熱設計，依據整機的傳導路徑熱阻等，通過迭代計算出整機的散熱面積，從而進行相關的結構設計與整機水冷系統的設計。
待電機設計完成，進行相關的校核，再利用ANSYSICEPAK進行整燈的熱仿真視頻教程，熱仿真視頻教程通將整機從CAD軟件的3D模型簡化開始，到通過WORKBENCK 導入到ICEPAK軟件內，在ICEPAK軟件內完成相關模型的物性設置，軟件仿真邊界的設計置等等......
展開 【8月8-11日 杭州】電機磁場、熱、振動、噪聲仿真高級設計仿真研修班
課程背景
現下電機市場競爭大，既要電機性能滿足使用需求又要電機成本低，這對電機設計工程師要求越來越高。長期的實踐證明：運用仿真軟件能大幅降低原型機測試和生產成本；ANSYS Maxwell是工業界領先的電磁仿真軟件，既能滿足電機產品工程師的仿真設計需求，又能提升高品質產品設計能力。
電機內存在不同類型的物理場，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。電機工程師需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，又要在理論分析的基礎上掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這也是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析電機性能，得到其電磁場、熱場、振動等結果。為此特舉辦“電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設計仿真研修班。
時間和地點
2019年8月8日-8月11日 浙江杭州
（第一天報到，授課3天）
主講專家
具有12年電磁工程仿真分析經驗，具備電磁熱等多物理場耦合仿真分析能力，一直對外提供技術咨詢服務，扎實的電磁和數值計算理論基礎；熟練掌握ANSYS EM、Workbench、Matlab等軟件，有變壓器電磁和磁熱仿真、電機電磁、磁熱和電磁振動噪聲仿真、耦合器電磁仿真、電磁銜鐵機構電磁仿真等項目經驗。
展開 
熱仿真在電機設計和減少散熱器重量中的應用
AnJen Solutions 對LSM散熱器的重量和熱特性進行了分析。AnJen Solution 的Michael Rigby 說：“FLOTHERM 對散熱器和LSM支撐結構之間的導熱量以及進入到空氣中的熱量提供了詳細的信息，仿真的結果表明通過減少翅片數和改變翅片間距和厚度可以達到與最初設計方案相同的效果，但散熱器的重量僅僅為最初方案的1/3 。”
軌道的熱負荷和垂直方向的形式都要求比水平放置的形式進行更為詳細的熱仿真。這是因為垂直方向的形式會導致換熱系數發生變化，同時也會提高周圍環境空氣溫度。此外LSM材料的溫度也是一個限制因素。
CFD 軟件的優勢在于能夠模擬LSM 周圍的空氣流動，從而使精確預測對流換熱量成為可能。Flomerics公司的FLOTHERM 軟件是專門為仿真電子和電氣產品熱特性而開發的。Rigby說：“FLOTHERM 具有自動優化、簡化模型等許多強大的功能，這一切都可以大大提高的散熱性能和減少產品研發時間。軟件強大的功能使散熱器的優化成為可能，而散熱器重量的減少正是我們所需要的，因為MagneMotion的客戶對LSM 的總重量特別關注。”
FLOTHERM完全解決了產品的散熱問題，這其中不僅僅包括了熱量從發動機通過導熱方式經過機械結構和散熱器，而且包括了熱量通過對流的方式從機械結構和散熱器進入到空氣中。FLOTHERM 通過求解浮升力方程來確定由熱負荷所引起的空氣流動。Rigby 通過變化模型中散熱器翅片數和厚度來對11個不同的設計方案進行評估。當翅片數為15 并且翅厚為3 mm 時，可以滿足封裝溫度的限制并且此時的散熱器重量最小。優化之后的散熱器重量為39 磅，與未做優化時候相比重量減少了1/3 。
展開 “新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合” 高級設計仿真培訓
27.新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合高級設計仿真培訓.pdf
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合” 高級設計仿真培訓
27.新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合高級設計仿真培訓-高曉龍.pdf
基于CFD軟件的油冷電機熱管理
引言
本文為2021年8月25日西莫電機論壇第46期在線研討會精華整理版。
主講老師：
顧俊（蘇州舜云工程軟件有限公司仿真技術經理，曾從事前艙熱管理仿真相關工作、動力系統CFD仿真及熱管理相關工作，負責舜云科技動力系統模塊的解決方案研發及推廣工作，完成汽車行業多個頭部企業的飛濺潤滑及熱管理分析技術移交工作；7年汽車工程領域仿真與設計經驗）
主要內容：
1.油冷電機冷卻結構的多樣性
2.不同CFD熱管理方法的對比分析
3.基于舜云仿真軟件的油冷熱管理
4.熱管理技術的難點
下面開始進入研討會正文：
1 油冷電機冷卻結構的多樣性
在以前風冷電機的那個時代，我們可能并不需要太過于關注他內部的一些發熱問題，這是很典型的一款西門子風冷電機，右邊這個圖片是風冷電機的一些散熱手法，他的軸上會帶一些擋板讓內部的風能夠高速的流動起來，然后外殼這一塊也會有一些加強筋或者說一些散熱筋能帶走更多的熱量，這大概已經是很早以前的那種電機設計。現在這個階段的話，用水冷電機就是新能源汽車應用還是比較多的，大部分路上跑的一些新能源汽車更多的還是用水冷電機的，油冷電機的話只不過是這兩年才開始火熱起來，實際上在路上跑的可能還并不怎么多。水冷電機的話有一個特點，它的冷卻型式非常非常單一，并且當初我們在做水冷電機的相關設計時，它的NVH
可能并不是那么的完善，所以它一般都會在表面包一層那個消音棉，就肯定會有類似的一些那種消音阻斷的一些結構，然后導致它整體的一個散熱是非常依賴水套的。那當初的話就是水套這一塊的散熱問題，對于主機廠怎樣去安排這么大的一個散熱需求，在前艙這一塊里面要合理的分配給他，而且要時時保證它能夠有足夠的散熱，這其實是一個比較頭疼的問題。
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