電機(jī)散熱仿真的案例
來稿 | Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用
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。
為了找到最佳電機(jī)冷卻方式，需要對(duì)電機(jī)在工作過程中的核心流動(dòng)問題進(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）等問題。
Ansys CFD在電機(jī)散熱仿真中的應(yīng)用
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)各部分溫度不超過國家標(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。
為了找到最佳電機(jī)冷卻方式，需要對(duì)電機(jī)在工作過程中的核心流動(dòng)問題進(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）等問題。
展開 新能源電動(dòng)汽車水冷電機(jī)散熱理論熱設(shè)計(jì)與熱仿真管理分析
南京青松熱設(shè)計(jì)工作室精彩視頻教程：
電子產(chǎn)品散熱理論設(shè)計(jì)視頻培訓(xùn)課程：
專業(yè)熱設(shè)計(jì)人必學(xué)必會(huì)182講---電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)理論視頻課程（國內(nèi)首套有關(guān)散熱理論設(shè)計(jì)的系統(tǒng)培訓(xùn)課程）
ANSYS ICEPAK 視頻培訓(xùn)課程：
我所理解的熱仿真---ANSYS ICEPAK電子散熱仿真全套原創(chuàng)視頻教程
水冷電機(jī)散熱理論設(shè)計(jì)與仿真視頻培訓(xùn)課程：
新能源電動(dòng)汽車水冷電機(jī)散熱理論熱設(shè)計(jì)與ANSYS ICEPAK熱仿真
大功率開關(guān)電源仿真視頻培訓(xùn)課程：
電解電容的發(fā)熱損耗計(jì)算與分析
更多有關(guān)熱設(shè)計(jì)與熱仿真課程，請(qǐng)加微信咨詢！
添加好友時(shí)請(qǐng)注明（姓名-公司-職位）
有關(guān)ANSYS ICEPAK與熱設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)習(xí)交流可加入我們ICEPAK散熱設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)交流-2群（1群已滿），群號(hào)：
79973675，或加入我們的微信群。
展開 活動(dòng)回顧 | 油冷電機(jī)、變速箱仿真技術(shù)專題研討會(huì)圓滿落幕！
“油冷電機(jī)、變速箱技術(shù)專題研討會(huì)”如期而至，本次研討會(huì)圍繞油冷電機(jī)與變速箱的仿真解決方案、整機(jī)散熱方案、數(shù)字孿生方案、NVH解決方案，展開了深入的交流與探討。
接下來，由小編帶您一起回顧本次活動(dòng)的精彩內(nèi)容。
研討會(huì)現(xiàn)場
主題分享
PART1
電驅(qū)油冷電機(jī)散熱仿真解決方案
電驅(qū)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)分析需求主要有三塊：電機(jī)設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)、齒輪箱設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)CFD通用軟件仿真分析的流程對(duì)時(shí)間和人力的消耗較多，不能滿足快速設(shè)計(jì)迭代的需求。用粒子仿真法與CFD傳統(tǒng)方法相結(jié)合，能夠互相彌補(bǔ)，達(dá)到降本增效的效果。主要應(yīng)用軟件是ANSYS Particle Works，是一款粒子仿真軟件，不需要投入大量精力在幾何簡化和生成網(wǎng)格上，同時(shí)采用高效的GPU進(jìn)行求解計(jì)算，大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。Particle Works可用于自由表面流動(dòng)計(jì)算、流動(dòng)-顆粒耦合、流動(dòng)-多體動(dòng)力學(xué)耦合、流動(dòng)-共軛換熱等場景。
安世亞太流體工程師高征宇詳細(xì)介紹了油冷電機(jī)解決方案，分享了電機(jī)油冷，齒輪箱潤滑案例。
PART2
油冷電機(jī)數(shù)字孿生解決方案
數(shù)字孿生對(duì)深入洞察產(chǎn)品的狀態(tài)、性能和行為有重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化，預(yù)見性維護(hù)，優(yōu)化工業(yè)產(chǎn)品管理。數(shù)字孿生系統(tǒng)級(jí)評(píng)估有以下主要挑戰(zhàn)：由于限制條件難以使用傳感器監(jiān)測；難以監(jiān)測所有位置，可視化效果不強(qiáng)；不合適的工況條件使用到研發(fā)的產(chǎn)品導(dǎo)致產(chǎn)品狀態(tài)性能不良等。
安世亞太流體工程師田童向來賓介紹了電機(jī)系統(tǒng)一維仿真流程、三維降階模型的建立、以及完整的一維系統(tǒng)數(shù)字孿生方案。
展開 
【12月4-5日 上海】ANSYS官方培訓(xùn)—電機(jī)多場耦合仿真（電磁、流體、振動(dòng)、噪聲耦合分析）
電機(jī)多場耦合仿真（電磁、流體、振動(dòng)、噪聲耦合分析）
培訓(xùn)背景
電機(jī)，特別是現(xiàn)代高效能電機(jī)和新型永磁電機(jī)，作為工業(yè)領(lǐng)域最為重要的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，其直接/間接用電量占到了工業(yè)領(lǐng)域總用電量的近75%，如何在電機(jī)方案設(shè)計(jì)前期有效提升產(chǎn)品的效率？如何在保證效率的同時(shí)綜合提升電機(jī)的散熱性能指標(biāo)？如何優(yōu)化電機(jī)振動(dòng)和噪音？如何盡可能的壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品的開發(fā)成本？上述問題嚴(yán)重制約著電機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)企業(yè)和研究院所的長期穩(wěn)定發(fā)展，以及產(chǎn)品的核心競爭力提升。
為了推進(jìn)中國電機(jī)設(shè)計(jì)企業(yè)和院所的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力提升、解決電機(jī)設(shè)計(jì)工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中面臨的工程問題；同時(shí)，也為了讓廣大電機(jī)設(shè)計(jì)工程師更好的使用軟件，普及ANSYS電機(jī)多物理場耦合分析高級(jí)功能， ANSYS公司（原廠）特定于12月4日在上海開辦 “電機(jī)多場耦合仿真（電磁、流體、振動(dòng)、噪聲耦合分析）”專題班，幫助您全面了解ANSYS軟件最新功能與使用技巧，解答您在軟件使用中的疑惑與問題，并將上述軟件的各項(xiàng)功能靈活高效地應(yīng)用于仿真中，解決目前一些研究熱點(diǎn)中的仿真難題，提升高效電機(jī)產(chǎn)品研制和設(shè)計(jì)效率。
培訓(xùn)合格者發(fā)放ANSYS技術(shù)培訓(xùn)認(rèn)證證書。
展開 基于ANSYS的水冷電機(jī)控制器散熱仿真分析
摘 要：
電機(jī)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(guān)系到電機(jī)的輸出。以控制器中的8個(gè)電容及3個(gè)IGBT為主要熱源,采用有限元分析的穩(wěn)態(tài)熱模塊及流體模塊,分別對(duì)其進(jìn)行溫度仿真分析,分析對(duì)比在使用水冷散熱前后主要發(fā)熱器件的散熱狀態(tài),得出水冷散熱的仿真效果比常態(tài)下的溫度降低約27℃,為實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供支撐。
關(guān)鍵詞：控制器;水冷;熱仿真;
0 引言
隨著電子產(chǎn)品小型化的發(fā)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(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為此研究主要元器件在狹窄結(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)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(duì)其主要發(fā)熱器件電容及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵極型晶體管）進(jìn)行熱仿真分析。
1 控制器的前處理
1.1 控制器結(jié)構(gòu)降階處理
對(duì)5.5 k W控制器進(jìn)行3D建模，顯示控制器有1215個(gè)部件，控制器模型如圖1所示。若全部仿真會(huì)使模擬計(jì)算量和時(shí)間增加，一般需要進(jìn)行模型降階處理[5]。
圖1 控制器模型
保留控制器的主要發(fā)熱器件為8個(gè)電容及3個(gè)IGBT，保留殼體及水冷板。將殼體外部的航空插頭、發(fā)熱不嚴(yán)重的電路板及控制器外殼的螺紋孔全部填補(bǔ)完整。將水冷板的殼體與水道使用布爾減的方法進(jìn)行分離，防止后期網(wǎng)格劃分時(shí)，將殼體和水道劃為整體，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不合適，計(jì)算失敗。模型降階情況如圖2所示。
1.2 控制器網(wǎng)格設(shè)置
網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到計(jì)算的結(jié)果和計(jì)算時(shí)間的長短，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，優(yōu)先選擇曲面狀的物體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣在網(wǎng)格劃分的時(shí)候就可以保證曲面的完整性。
展開 熱仿真在電機(jī)設(shè)計(jì)和減少散熱器重量中的應(yīng)用
AnJen Solutions 對(duì)LSM散熱器的重量和熱特性進(jìn)行了分析。AnJen Solution 的Michael Rigby 說：“FLOTHERM 對(duì)散熱器和LSM支撐結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)熱量以及進(jìn)入到空氣中的熱量提供了詳細(xì)的信息，仿真的結(jié)果表明通過減少翅片數(shù)和改變翅片間距和厚度可以達(dá)到與最初設(shè)計(jì)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(fù)荷和垂直方向的形式都要求比水平放置的形式進(jìn)行更為詳細(xì)的熱仿真。這是因?yàn)榇怪狈较虻男问綍?huì)導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)提高周圍環(huán)境空氣溫度。此外LSM材料的溫度也是一個(gè)限制因素。
CFD 軟件的優(yōu)勢在于能夠模擬LSM 周圍的空氣流動(dòng)，從而使精確預(yù)測對(duì)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(chǎn)品熱特性而開發(fā)的。Rigby說：“FLOTHERM 具有自動(dòng)優(yōu)化、簡化模型等許多強(qiáng)大的功能，這一切都可以大大提高的散熱性能和減少產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間。軟件強(qiáng)大的功能使散熱器的優(yōu)化成為可能，而散熱器重量的減少正是我們所需要的，因?yàn)镸agneMotion的客戶對(duì)LSM 的總重量特別關(guān)注。”
FLOTHERM完全解決了產(chǎn)品的散熱問題，這其中不僅僅包括了熱量從發(fā)動(dòng)機(jī)通過導(dǎo)熱方式經(jīng)過機(jī)械結(jié)構(gòu)和散熱器，而且包括了熱量通過對(duì)流的方式從機(jī)械結(jié)構(gòu)和散熱器進(jìn)入到空氣中。FLOTHERM 通過求解浮升力方程來確定由熱負(fù)荷所引起的空氣流動(dòng)。Rigby 通過變化模型中散熱器翅片數(shù)和厚度來對(duì)11個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)翅片數(shù)為15 并且翅厚為3 mm 時(shí)，可以滿足封裝溫度的限制并且此時(shí)的散熱器重量最小。優(yōu)化之后的散熱器重量為39 磅，與未做優(yōu)化時(shí)候相比重量減少了1/3 。
展開 基于FLoEFD的新能源水冷電機(jī)流固耦合散熱仿真 ￥20
附件包含詳細(xì)的step by step教程文件和step 3D 模型，可以為學(xué)習(xí)者提供指導(dǎo)。
教程僅為學(xué)習(xí)參考所用，作者不對(duì)數(shù)據(jù)真實(shí)性保證，付費(fèi)文件，請(qǐng)謹(jǐn)慎下載，謝謝
Simdroid-EC：液冷仿真新星，助力新能源汽車電機(jī)控制器高效散熱
元件網(wǎng)格
Simdroid-EC支持單獨(dú)查看流體域的網(wǎng)格，對(duì)多流體域仿真非常友好。
4. 豐富的結(jié)果分析
當(dāng)計(jì)算收斂后，Simdroid-EC會(huì)自動(dòng)將計(jì)算結(jié)果加載至后處理模塊。電機(jī)控制器的整體分布結(jié)果如下圖所示：
流道和IGBT表面云圖
由上圖可以看出，在位于流道入口（左下方）處的IGBT溫度較流道出口處（右上方）的低，最高處的IGBT溫度約為62℃。
流道內(nèi)溫度圖
隨著液體不斷在流道內(nèi)流動(dòng)，逐步吸收IGBT散出的熱量，冷卻液的溫度逐漸升高，從進(jìn)口到出口的溫升會(huì)達(dá)到5℃。
流動(dòng)矢量圖
流線圖
通過上圖可以明顯看出，流道內(nèi)部存在局部渦流結(jié)構(gòu)。渦流會(huì)改變流道內(nèi)冷卻液的壓力分布情況，造成局部壓力異常升高或降低，影響冷卻液的正常輸送，導(dǎo)致某些部位供液不足。可通過改變流道的形狀來減弱渦流效應(yīng)。
流道壓力圖
通過壓力圖可以便捷查看流道進(jìn)出口的壓差。本案例中，流道進(jìn)出口的壓差約為1343-93=1250Pa。
————
液冷仿真是電子散熱仿真的重要方面。越來越復(fù)雜的流道設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)的電子散熱仿真軟件提出了重大挑戰(zhàn)，Simdroid-EC便捷的CAD模型導(dǎo)入功能、快速的流體域網(wǎng)格劃分與查看功能，以及豐富的后處理結(jié)果，為電子散熱行業(yè)注入強(qiáng)大動(dòng)力，能夠幫助用戶快速評(píng)估熱點(diǎn)，提供優(yōu)化建議。申請(qǐng)?jiān)囉肧imdroid-EC
展開 五級(jí)簡化，助你快速搞定電機(jī)CFD散熱
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)簡化，旋轉(zhuǎn)部件的簡化
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)所帶來的流場問題就會(huì)被大大簡化，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)簡化與四級(jí)簡化目標(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。
展開 五級(jí)簡化，助你快速搞定電機(jī)CFD散熱
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)行簡化才能達(dá)到目的。
當(dāng)然，對(duì)計(jì)算模型的簡化，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。
既然提到簡化，就不得不簡單說一下電機(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)行簡化，從而在某種程度上來降低計(jì)算規(guī)模。
圖2 狹長的氣隙是導(dǎo)致電機(jī)CFD計(jì)算規(guī)模巨大的“罪魁禍?zhǔn)住?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)行一定量的簡化。
圖3 常見的電機(jī)設(shè)計(jì)CAD三維模型與簡化后的電機(jī)模型
一級(jí)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(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。
展開 
高功率密度電機(jī)的熱仿真分析
電機(jī)是由定轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋等組成的復(fù)雜機(jī)械裝配體，考慮到機(jī)械尺寸較小的零部件對(duì)電機(jī)溫度影響較小，在進(jìn)行熱仿真分析時(shí)對(duì)其進(jìn)行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對(duì)電機(jī)仿真模型進(jìn)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(duì)定子繞組與沖片進(jìn)行了等效處理，將其等效為均質(zhì)材料。
通過電機(jī)電磁計(jì)算，該型號(hào)高空飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設(shè)定為發(fā)熱源，并定義發(fā)熱量為1 600 W，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真分析。
2 三維熱場仿真
針對(duì)高空環(huán)境下電機(jī)周圍實(shí)際的氣壓、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素，項(xiàng)目組聯(lián)合北京航空航天大學(xué)特種電機(jī)研究中心進(jìn)行電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的仿真分析，根據(jù)對(duì)方給出數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組選擇6組相對(duì)有代表性的環(huán)境因素對(duì)該電機(jī)進(jìn)行熱分析計(jì)算，6種環(huán)境工況如表1所示。
表1 電機(jī)熱仿真六種工況
通過軟件對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡化、分解等系列處理，著重分析電機(jī)定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計(jì)算結(jié)果如下。
1)電機(jī)在地面運(yùn)行時(shí)的分析結(jié)果
對(duì)不帶散熱器的電機(jī)與帶散熱器的電機(jī)2種情況進(jìn)行熱仿真分析。對(duì)幾組不同散熱筋尺寸的電機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)合電機(jī)質(zhì)量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結(jié)構(gòu)。
(a) 不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果
不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 不帶散熱器的電機(jī)溫度分布曲線與云圖
(b) 帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果
由圖2熱仿真結(jié)果可以看出，不帶散熱器的電機(jī)散熱效果差，定子溫度達(dá)到了200 ℃以上。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運(yùn)行在150 ℃設(shè)計(jì)，該電機(jī)無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設(shè)計(jì)一款合理的散熱器。
展開 高功率密度電機(jī)的熱仿真分析
電機(jī)是由定轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋等組成的復(fù)雜機(jī)械裝配體，考慮到機(jī)械尺寸較小的零部件對(duì)電機(jī)溫度影響較小，在進(jìn)行熱仿真分析時(shí)對(duì)其進(jìn)行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對(duì)電機(jī)仿真模型進(jìn)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(duì)定子繞組與沖片進(jìn)行了等效處理，將其等效為均質(zhì)材料。
通過電機(jī)電磁計(jì)算，該型號(hào)高空飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設(shè)定為發(fā)熱源，并定義發(fā)熱量為1 600 W，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真分析。
2 三維熱場仿真
針對(duì)高空環(huán)境下電機(jī)周圍實(shí)際的氣壓、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素，項(xiàng)目組聯(lián)合北京航空航天大學(xué)特種電機(jī)研究中心進(jìn)行電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的仿真分析，根據(jù)對(duì)方給出數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組選擇6組相對(duì)有代表性的環(huán)境因素對(duì)該電機(jī)進(jìn)行熱分析計(jì)算，6種環(huán)境工況如表1所示。
表1 電機(jī)熱仿真六種工況
通過軟件對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡化、分解等系列處理，著重分析電機(jī)定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計(jì)算結(jié)果如下。
1)電機(jī)在地面運(yùn)行時(shí)的分析結(jié)果
對(duì)不帶散熱器的電機(jī)與帶散熱器的電機(jī)2種情況進(jìn)行熱仿真分析。對(duì)幾組不同散熱筋尺寸的電機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)合電機(jī)質(zhì)量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結(jié)構(gòu)。
(a) 不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果
不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 不帶散熱器的電機(jī)溫度分布曲線與云圖
(b) 帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果
由圖2熱仿真結(jié)果可以看出，不帶散熱器的電機(jī)散熱效果差，定子溫度達(dá)到了200 ℃以上。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運(yùn)行在150 ℃設(shè)計(jì)，該電機(jī)無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設(shè)計(jì)一款合理的散熱器。
展開 高功率密度電機(jī)的熱仿真分析
電機(jī)是由定轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋等組成的復(fù)雜機(jī)械裝配體，考慮到機(jī)械尺寸較小的零部件對(duì)電機(jī)溫度影響較小，在進(jìn)行熱仿真分析時(shí)對(duì)其進(jìn)行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對(duì)電機(jī)仿真模型進(jìn)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(duì)定子繞組與沖片進(jìn)行了等效處理，將其等效為均質(zhì)材料。
通過電機(jī)電磁計(jì)算，該型號(hào)高空飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設(shè)定為發(fā)熱源，并定義發(fā)熱量為1 600 W，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真分析。
2 三維熱場仿真
針對(duì)高空環(huán)境下電機(jī)周圍實(shí)際的氣壓、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素，項(xiàng)目組聯(lián)合北京航空航天大學(xué)特種電機(jī)研究中心進(jìn)行電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的仿真分析，根據(jù)對(duì)方給出數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組選擇6組相對(duì)有代表性的環(huán)境因素對(duì)該電機(jī)進(jìn)行熱分析計(jì)算，6種環(huán)境工況如表1所示。
表1 電機(jī)熱仿真六種工況
通過軟件對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡化、分解等系列處理，著重分析電機(jī)定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計(jì)算結(jié)果如下。
1)電機(jī)在地面運(yùn)行時(shí)的分析結(jié)果
對(duì)不帶散熱器的電機(jī)與帶散熱器的電機(jī)2種情況進(jìn)行熱仿真分析。對(duì)幾組不同散熱筋尺寸的電機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)合電機(jī)質(zhì)量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結(jié)構(gòu)。
(a) 不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果
不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 不帶散熱器的電機(jī)溫度分布曲線與云圖
(b) 帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果
由圖2熱仿真結(jié)果可以看出，不帶散熱器的電機(jī)散熱效果差，定子溫度達(dá)到了200 ℃以上。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運(yùn)行在150 ℃設(shè)計(jì)，該電機(jī)無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設(shè)計(jì)一款合理的散熱器。
展開 fluent 電機(jī)水冷散熱 ￥10
問題描述：
如下圖所示，黃色的為線圈電機(jī)，其功率為500w每個(gè)，通過水冷散熱，其進(jìn)水口為1m/s，水冷板材料和電機(jī)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(dòng)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(jìn)行水道的切除圖 3水道實(shí)體3、建立電機(jī)及接觸板等。圖 4 熱仿真電機(jī)總體模型
Workbench中的模型處理
4、導(dǎo)入到workbench中，通過spaceclaim進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分可以將所有的part進(jìn)行和并成一個(gè)part共節(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于性能較低的電腦可以使用接觸，僅將水道和流體進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)，電機(jī)及接觸的板與水道進(jìn)行綁定接觸。圖 6 網(wǎng)格劃分6、點(diǎn)擊setup，選擇serial，單核進(jìn)行計(jì)算（電腦有多核可以選擇多核）。圖 7 fluent 啟動(dòng)
Fluent中的條件設(shè)置
7、初始條件設(shè)置，選擇添加重力條件。8、進(jìn)口速度為1m/s，進(jìn)行簡單的計(jì)算，超過湍流的雷諾數(shù)，選擇k-epsilon的湍流模型，參數(shù)默認(rèn)即可。同時(shí)打開energy選項(xiàng)。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(yīng)的模型材料，設(shè)置電機(jī)的功率密度。功率密度等于功率除以發(fā)熱電機(jī)體積。圖 10 電機(jī)功率11、進(jìn)行接觸部分耦合圖 11 接觸耦合12、邊界條件設(shè)置，其中inlet1和inlet2流速都是1m/s，進(jìn)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(jìn)口邊界條件圖 13 出口邊界條件13、對(duì)于外wall的設(shè)置考慮到空氣散熱，其heat flux為10W/m2。
展開 