電機CFD散熱的案例
來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用
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。
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。
Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用
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。
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。
展開 五級簡化，助你快速搞定電機CFD散熱
張楊
北京安世亞太公司
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。
圖1 常見的液冷電機與CFD散熱仿真
通常，在電機設計的過程中，采用CFD方法進行建模和仿真，可以快速計算得到電機散熱情況和整體的溫度分布，從而為我們的電機設計提供重要的數據支撐。不過，由于電機內部部件較多，各部分的發熱與散熱情況復雜，因此想要進行高效又準確的CFD模擬，必須要對電機模型進行簡化才能達到目的。
當然，對計算模型的簡化，必然會帶來計算精度的損失，這一點是毋庸置疑的。如何權衡計算效率與結果誤差之間的關系，很大程度上取決于工程師的選擇，本文嘗試通過對通用的電機模型的簡化方法進行整理，從而提供一些方法供大家參考與選取。
既然提到簡化，就不得不簡單說一下電機CFD計算量巨大的根源。由于電機是高速旋轉的設備，而且轉子與定子之間還存在有非常狹窄的氣隙，對于這一區域，我們必須要保證相當數量的網格來維持計算精度。正是因為考慮了這一細長的區域，導致電機的網格數量都是非常巨大的；同時，這些細小的特征還是無法被簡化的。
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圖1 常見的液冷電機與CFD散熱仿真
通常，在電機設計的過程中，采用CFD方法進行建模和仿真，可以快速計算得到電機散熱情況和整體的溫度分布，從而為我們的電機設計提供重要的數據支撐。不過，由于電機內部部件較多，各部分的發熱與散熱情況復雜，因此想要進行高效又準確的CFD模擬，必須要對電機模型進行簡化才能達到目的。
當然，對計算模型的簡化，必然會帶來計算精度的損失，這一點是毋庸置疑的。如何權衡計算效率與結果誤差之間的關系，很大程度上取決于工程師的選擇，本文嘗試通過對通用的電機模型的簡化方法進行整理，從而提供一些方法供大家參考與選取。
既然提到簡化，就不得不簡單說一下電機CFD計算量巨大的根源。由于電機是高速旋轉的設備，而且轉子與定子之間還存在有非常狹窄的氣隙，對于這一區域，我們必須要保證相當數量的網格來維持計算精度。正是因為考慮了這一細長的區域，導致電機的網格數量都是非常巨大的；同時，這些細小的特征還是無法被簡化的。因此，我們盡量從其他的方面對電機的模型進行簡化，從而在某種程度上來降低計算規模。
圖2 狹長的氣隙是導致電機CFD計算規模巨大的“罪魁禍首”
如下圖所示，是我們常見的電機設計CAD模型，不管我們采用RMPRT還是MotorCAD工具，都可以快速建立相對符合真實情況的三維模型。當然，CFD仿真通常是不會直接使用這一模型的，必須要進行一定量的簡化。
圖3 常見的電機設計CAD三維模型與簡化后的電機模型
一級簡化，繞組端部模型
這一部分的CAD通常都是首先被簡化的區域，由于繞組在兩端的形狀相對比較復雜，因此直接劃分這一部分的網格會導致網格數量巨大。
展開 
技術鄰周報Q11：單元選擇/LS-DYNA模態分析/iSolver/流固耦合/ABAQUS/跌落分析/CFD/散熱/DEFORM
9、五級簡化，助你快速搞定電機CFD散熱
作者：
安世亞太
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1814564
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。
10、案例分享 | Cradle CFD為復雜航空電子設備提供高級熱仿真
作者：
MSC軟件
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1814746
網格劃分策略通常是影響軟件決策的關鍵部分。至少TEN TECH就是這種情況，他們正在尋找笛卡爾網格的CFD熱仿真軟件。當然，在他的腦海中還有更多的標準：好的幾何處理器；幾何簡化功能；快速、準確和完善的求解器和后處理；有競爭力的價格。“ 從第1天起，scSTREAM（Cradle CFD 軟件模塊之一）就達到并超出了期望目標。
11、有限單元分析的常見問題及單元選擇
作者：
陳睦鋒
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1814875
我們常用的有限元方法有以下非常需要注意的要點（特別是實體單元的應用）：剪切鎖死、體積鎖死、沙漏模式、零能模式，對于單元選擇又需要注意：完全積分、減縮積分、強化應變、雜交分析的概念。
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展開 汽車專題第七期 |新能源汽車—電機篇（三）
風罩，散熱片，鐵芯，系統阻力，壓力損失（壓降），風速，風量，非定常瞬態simulation
3.Fluent-YKK電機通風散熱CFD分析
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c18131
主要內容：講解了 Fluent CFD在YKK電機通風散熱流場仿真中的應用，包括前傾/直葉片內風扇方案對比，后傾外風扇設計；外風路導風筒隔板優化, 冷卻管的橢圓管與圓管對比；冷卻器隔板優化，試驗結果對比；內風路擋風板設計方案對比，溫升實驗測試結果
4.利用Simulink進行電機的磁場導向控制（FOC）算法的設計
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c18133
主要內容：利用Simulink進行電機的磁場導向控制（FOC）算法的設計，FOC控制算法廣泛應用于新能源汽車的永磁同步電機的控制
5.電機測試——電功率、機械功率測量、安全可靠的光纖測溫方案
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主要內容：電功率、機械功率、溫度測量、其他物理測量、ECU、自動化和應用系統
6.特斯拉Tesla Model S/X電控系統介紹，電池/三相逆變、電機、IGBT與碳化硅MOS驅動系統
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c18147
主要內容：電動汽車驅動系統、直流→三相逆變→三相異步電動機或永磁同步電動機、一臺或者兩臺電機，自由組合。
展開 fluent 電機水冷散熱 ￥10
問題描述：
如下圖所示，黃色的為線圈電機，其功率為500w每個，通過水冷散熱，其進水口為1m/s，水冷板材料和電機線圈材料均為AL。查看模型整體溫度。圖 1 問題描述
外部建模
1、首先建立水道的流動模型如下圖所示。圖 2 水道草圖2、建立水道殼體，通過拉伸及偏置進行水道的切除圖 3水道實體3、建立電機及接觸板等。圖 4 熱仿真電機總體模型
Workbench中的模型處理
4、導入到workbench中，通過spaceclaim進行體積抽取建立流體水道模型。圖 5 spaceclaim中體積抽取5、用mesh進行網格劃分可以將所有的part進行和并成一個part共節點，但是對于性能較低的電腦可以使用接觸，僅將水道和流體進行共節點，電機及接觸的板與水道進行綁定接觸。圖 6 網格劃分6、點擊setup，選擇serial，單核進行計算（電腦有多核可以選擇多核）。圖 7 fluent 啟動
Fluent中的條件設置
7、初始條件設置，選擇添加重力條件。8、進口速度為1m/s，進行簡單的計算，超過湍流的雷諾數，選擇k-epsilon的湍流模型，參數默認即可。同時打開energy選項。圖 8 湍流模型選擇9、添加water的材料圖 9 材料10、模型初始化。選擇賦予相應的模型材料，設置電機的功率密度。功率密度等于功率除以發熱電機體積。圖 10 電機功率11、進行接觸部分耦合圖 11 接觸耦合12、邊界條件設置，其中inlet1和inlet2流速都是1m/s，進水溫度295K。turbulent intensity為5%，hydraulic diameter為9.6mm。出口為大氣壓101325Pa。溫度為295K。圖 12進口邊界條件圖 13 出口邊界條件13、對于外wall的設置考慮到空氣散熱，其heat flux為10W/m2。
展開 CFD散熱仿真基礎知識
如何更好提升手機的散熱性能并且預防上述意外事故的發生，需要借助CFD手段在手機類電子產品的研發階段就“把好關”。
那么，CFD軟件如何在手機類電子產品中產生作用？
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電子熱設計基礎理論
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熱傳遞的方式
熱量傳遞的基本規律是熱量從高溫區域向低溫區域傳遞，熱量的傳遞方式主要包括三種：傳導、對流、輻射。
傳導
傳導是由于動能從一個分子轉移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導可以在固體、液體或氣體中發生，它是在不透明固體中發生傳熱的唯一形式。對于電子設備，傳導是一種非常重要的傳熱方式。
利用傳導進行散熱的方法有：增大接觸面積，選擇導熱系數大的材料，縮短熱流通路，提高接觸面的表面質量，在接觸面填導熱脂或加導熱墊，接觸壓力均勻等。
對流
對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強迫對流，是電子設備普遍采用的一種散熱方式——所謂的自然對流是因為冷、熱流體的密度差引起的流動，而強迫風冷是由外力迫使流體進行流動，更多是因為壓力差而引起的流動。產品設計中提到的風冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。
影響對了換熱的因素很多，主要包含：流態（層流/湍流）、流體本身的物理性質、換熱面的因素（大小、粗糙程度、放置方向）等。
輻射
輻射是在真空中進行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉移。
提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度，增大輻射體與冷體之間的角系數，增大輻射面積等。
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 基于ANSYS的水冷電機控制器散熱仿真分析
摘 要：
電機控制器中的主要散熱器件有電容和IGBT等,其散熱性能直接關系到電機的輸出。以控制器中的8個電容及3個IGBT為主要熱源,采用有限元分析的穩態熱模塊及流體模塊,分別對其進行溫度仿真分析,分析對比在使用水冷散熱前后主要發熱器件的散熱狀態,得出水冷散熱的仿真效果比常態下的溫度降低約27℃,為實際產品的設計生產提供支撐。
關鍵詞：控制器;水冷;熱仿真;
0 引言
隨著電子產品小型化的發展，控制器的尺寸隨著元器件的小型化逐漸減小，但元器件的熱功率密度越來越大，其運行時會產生大量的熱，為此研究主要元器件在狹窄結構空間的散熱，保證其不超過耐熱極限[1,2]。水的比熱容是空氣的4倍，選用水冷板對其進行散熱處理，可以提高散熱效率[3,4]。以5.5 k W控制器為例，對其主要發熱器件電容及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵極型晶體管）進行熱仿真分析。
1 控制器的前處理
1.1 控制器結構降階處理
對5.5 k W控制器進行3D建模，顯示控制器有1215個部件，控制器模型如圖1所示。若全部仿真會使模擬計算量和時間增加，一般需要進行模型降階處理[5]。
圖1 控制器模型
保留控制器的主要發熱器件為8個電容及3個IGBT，保留殼體及水冷板。將殼體外部的航空插頭、發熱不嚴重的電路板及控制器外殼的螺紋孔全部填補完整。將水冷板的殼體與水道使用布爾減的方法進行分離，防止后期網格劃分時，將殼體和水道劃為整體，導致網格劃分不合適，計算失敗。模型降階情況如圖2所示。
1.2 控制器網格設置
網格劃分的好壞直接關系到計算的結果和計算時間的長短，所以在進行網格劃分的時候，優先選擇曲面狀的物體進行網格劃分，這樣在網格劃分的時候就可以保證曲面的完整性。
展開 使用FloEFD進行電子散熱行業CFD分析
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電機散熱系統的研究現狀與發展趨勢
LEE等采用轉子間接油冷散熱方案提高了電機的功率密度，如圖11所示，冷卻油在電機端蓋、機殼和中空軸形成的流道中循環，直接對電機轉子進行冷卻。與機殼內部冷卻方案相比，該方案可以有效降低電機繞組溫度約38%。
(a)冷卻油循環路徑
(b)冷卻通道三維模型
圖11 電機間接油冷散熱系統
Fig.11 Indirect oil cooling system of motor
直接油冷散熱系統的冷卻油與電機內部發熱部件直接接觸，具有極高的散熱效率，是解決高功率密度電機散熱難題的有效方案。PONOMAREV等采用CFD法和熱網格法分析了采用直接油冷散熱系統電機的溫升性能，建立了電機熱仿真1/18模型，極大提高了有限元分析的效率。HUANG等采用CFD仿真法對比了間接油冷和直接油冷的散熱效率。間接油冷即冷卻油在機殼內部通道中循環流動；直接油冷是通過調整電機機殼結構，使冷卻油直接接觸定子的冷卻方案，其結構如圖12所示。仿真結果表明，如果冷卻油驅動系統的功率保持不變，則直接油冷散熱方案可以降低定子軛部的平均溫度，提高電機的功率密度。
圖12 直接油冷式電機機殼及其截面示意圖
Fig.12 Casing of the direct oil cooling motor and its
sectional view
以額定功率35 kW的輪轂電機為研究對象，對比分析了噴油式油冷、浸油式油冷、浸油式循環油冷和間接油冷散熱方案的冷卻效率，研究結果表明，當電機轉速為4400 r/min時，噴油式油冷的平均傳熱系數可達5270 W/(m2·K)，有效降低繞組溫升11.6%～25%。DAVIN等實驗研究了冷卻油噴射模式對電機冷卻效率的影響，研究結果表明當冷卻油在繞組頂部滴注時，冷卻油在繞組端部流過時具有較高的流速，對繞組端部的冷卻效果最好。
展開 基于不同冷卻方式的電機散熱分析
在近期打算錄風冷，水冷，油冷電機的散熱視頻，大家有興趣看嗎??
熱仿真在電機設計和減少散熱器重量中的應用
（轉）
AnJen Solutions最近使用了Flomerics公司的FLOTHERM(CFD) 軟件來幫助 MagneMotion, Inc. 設計一款采用了線性同步電動機(LSM)的垂直升降電梯。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。
展開 Simdroid-EC：液冷仿真新星，助力新能源汽車電機控制器高效散熱
電機控制器在新能源汽車中對于保障動力和安全性能扮演著至關重要的角色，其核心部件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管，一種電壓驅動式功率半導體器件）在工作時會因自身的功率損耗而產生大量熱量，一旦溫度超出規定的安全范圍，其性能就會顯著下降，嚴重情況下甚至會造成器件的永久性損壞，影響整個新能源汽車的動力輸出和行駛性能。
基于上述問題，鑒于液體的比熱容較大，能吸收大量熱量而自身溫度升高較小，因此該行業廣泛采用液冷技術實現IGBT的有效散熱。此外，冷卻液可直接接觸IGBT模塊，使其溫度分布更均勻，避免局部過熱，進而有效延長IGBT模塊的使用壽命。
伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC）能夠精準模擬IGBT在不同工況下的溫度分布情況，從而有針對性地優化散熱方案，確保IGBT始終處于安全的溫度區間內，保障其可靠運行。
Simdroid-EC功能亮點
Simdroid-EC是基于伏圖平臺（Simdroid）開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析；可廣泛應用于通信設備、電力電子、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。
本文通過某電機控制器的案例來說明Simdroid-EC的功能亮點。
1. CAD模型導入
通過Simdroid-EC導入接口，可以直接導入液冷流道和IGBT的.stp模型文件，無需打散，可完整還原導入體原貌。
導入模型
2. 便捷多流體域劃分
Simdroid-EC的多流體域仿真功能非常便捷。只需將智能元件流體標記點放入流體域中，軟件即可自動識別到連通的腔體，并形成流體域，無需繁復地用體積區域搭建流體區域。
展開 