電機熱分析的案例
“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
、Br及FFT分析等分析）
WB相關驅動電機分析模塊詳解
清楚驅動電機分析模塊使用及特點
1.WB平臺及功能概述
1.1功能簡介 1.2電機多場分析相關模塊
2.DM模塊電機建模處理
2.1Maxwell模塊電機電磁分析連接
2.2電機熱場和結構場連接
3.MC電機結構分析
3.1電機固有頻率計算（模態）
3.2電機振動噪聲計算（諧響應）
4.Mesh模塊電機結構熱分析網格
4.1電機熱分析剖分特點 4.2電機振動分析剖分特點
4.3電機噪聲分析剖分特點
5.電機熱計算相關分析支持
5.1電機傳熱方式 5.2電機穩態及瞬態熱分析
MC驅動電機
溫度分析
掌握驅動電機熱場仿真分析技巧
1.Maxwell電機損耗計算處理
1.1電機鐵芯損耗 1.2電機銅損耗
1.3電機磁鋼渦流損耗
2.Maxwell電機損耗計算網格剖分處理
2.1電機鐵芯剖分 2.2磁鋼等剖分
3.MC電機熱計算網格剖分處理
3.1電機全局剖分 3.2電機局部剖分
4.MC電機熱計算約束及熱源處理
4.1電機熱計算約束類型 4.2電機熱計算熱源類型
5.MC電機熱計算求解設置處理
5.1穩態求解器 5.2瞬態求解器
6.MC電機熱計算結果處理
6.1溫度場查看分析 6.2熱流量查看分析
6.3其它結果查看分析
MC與Maxwell耦合分析驅動電機
溫度場
掌握驅動電機
電磁-熱耦合
分析過程
1.電機Maxwell電磁創建
1.1電機鐵耗、銅耗等計算 1.2網格剖分
1.3
展開 新能源電機電磁、磁熱、震動、噪聲多場耦合
、Br及FFT分析等分析）
WB相關驅動電機分析模塊詳解
清楚驅動電機分析模塊使用及特點
1.WB平臺及功能概述
1.1功能簡介 1.2電機多場分析相關模塊
2.DM模塊電機建模處理
2.1Maxwell模塊電機電磁分析連接
2.2電機熱場和結構場連接
3.MC電機結構分析
3.1電機固有頻率計算（模態）
3.2電機振動噪聲計算（諧響應）
4.Mesh模塊電機結構熱分析網格
4.1電機熱分析剖分特點 4.2電機振動分析剖分特點
4.3電機噪聲分析剖分特點
5.電機熱計算相關分析支持
5.1電機傳熱方式 5.2電機穩態及瞬態熱分析
MC驅動電機
溫度分析
掌握驅動電機熱場仿真分析技巧
1.Maxwell電機損耗計算處理
1.1電機鐵芯損耗 1.2電機銅損耗
1.3電機磁鋼渦流損耗
2.Maxwell電機損耗計算網格剖分處理
2.1電機鐵芯剖分 2.2磁鋼等剖分
3.MC電機熱計算網格剖分處理
3.1電機全局剖分 3.2電機局部剖分
4.MC電機熱計算約束及熱源處理
4.1電機熱計算約束類型 4.2電機熱計算熱源類型
5.MC電機熱計算求解設置處理
5.1穩態求解器 5.2瞬態求解器
6.MC電機熱計算結果處理
6.1溫度場查看分析 6.2熱流量查看分析
6.3其它結果查看分析
MC與Maxwell耦合分析驅動電機
溫度場
掌握驅動電機
電磁-熱耦合
分析過程
1.電機Maxwell電磁創建
1.1電機鐵耗、銅耗等計算 1.2網格剖分
1.3
展開 新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合
、Br及FFT分析等分析）
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清楚驅動電機分析模塊使用及特點
1.WB平臺及功能概述
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2.1Maxwell模塊電機電磁分析連接
2.2電機熱場和結構場連接
3.MC電機結構分析
3.1電機固有頻率計算（模態）
3.2電機振動噪聲計算（諧響應）
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5.1電機傳熱方式 5.2電機穩態及瞬態熱分析
MC驅動電機
溫度分析
掌握驅動電機熱場仿真分析技巧
1.Maxwell電機損耗計算處理
1.1電機鐵芯損耗 1.2電機銅損耗
1.3電機磁鋼渦流損耗
2.Maxwell電機損耗計算網格剖分處理
2.1電機鐵芯剖分 2.2磁鋼等剖分
3.MC電機熱計算網格剖分處理
3.1電機全局剖分 3.2電機局部剖分
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4.1電機熱計算約束類型 4.2電機熱計算熱源類型
5.MC電機熱計算求解設置處理
5.1穩態求解器 5.2瞬態求解器
6.MC電機熱計算結果處理
6.1溫度場查看分析 6.2熱流量查看分析
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MC與Maxwell耦合分析驅動電機
溫度場
掌握驅動電機
電磁-熱耦合
分析過程
1.電機Maxwell電磁創建
1.1電機鐵耗、銅耗等計算 1.2網格剖分
1.3
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。
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。
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。
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
UDO輸出使用
案例演示及練習-1：永磁同步電機分析
A.空載分析(反電動勢、鐵損耗、磁場等分析)
B.穩態及起動負載分析（額定轉矩、波動大小、磁場分析、Br及FFT分析等分析）
案例演示及練習-2：三相異步電機分析
A.空載分析(反電動勢、鐵損耗等分析)
B.穩態及起動負載分析（額定轉矩、波動大小、磁場分析、Br及FFT分析等分析）
WB平臺電機相關模塊
清楚電機分析模塊使用及特點
1、WB平臺及功能概述
1.1功能簡介 1.2電機多場分析相關模塊
2、DM及SCDM模塊電機建模處理
2.1Maxwell模塊電機電磁分析連接
2.2電機熱場和結構場連接
3.WB電機結構分析
3.1電機固有頻率計算（模態）
3.2電機振動計算（諧響應）
3.3 電機噪聲計算（聲場）
4.Mesh模塊電機結構分析網格
4.1電機熱分析剖分特點 4.2電機振動分析剖分特點
4.3電機噪聲分析剖分特點
5.電機熱計算相關分析支持
5.1電機傳熱方式 5.2電機穩態及瞬態熱分析
5.3 流體模塊分析
6.相關模塊案例演示
6.1DM及SCDM建模與Maxwell動態鏈接
6.2電機定子模態分析
6.3電機定子諧響應分析
6.4電機網格剖分
6.5電機熱場分析
WB模態分析
掌握電機模態分析過程
1、電機模型處理 2、電機材料添加
3、電機模型網格處理 4、約束及載荷施加
5、求解設置 6、結果查看分析
案例演示及練習-1：直流無刷電機模態分析
流體軟件與Maxwell耦合
分析電機
溫度場
掌握電機電磁-熱耦合分析過程
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 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
由表６可以看出，利用熱網絡法得到的電機繞組端部溫升與試驗數據趨勢基本一致，最大誤差為7.3%，滿足方案設計階段對電機熱性能快速預估的需求。
04
結論
通過對基于磁路法和等效熱網絡法的航天PMSM電磁熱仿真方法的建立得出以下結論：
1)在電磁性能計算方面，提出的基于磁路法的計算結果與商業軟件仿真計算結果偏差較小，在進一步完善關鍵參數取值準則與約束后，可應用于航天PMSM電磁性能的快速方案設計；
2)基于熱網絡法建立的電機熱分析模型可用于電機方案中熱源部分(繞組、永磁體等)的定量溫升分析，但因涉及的熱容、熱阻參數較多，要實現全機的定量熱分析，還有待進一步精細化；
3)相比于商業軟件的繁瑣設定、輸出結果提取，本文建立的方法只需要輸入幾何包絡、典型工況點、初始環境溫度等信息即可快速獲取一套滿足出力要求且效率最高、溫升可量化預估的初步電機方案，有效縮短了航天PMSM設計周期，提升設計效率。
注：因為篇幅，本文內容呈現略有調整。
參考文獻略。
本文摘自《宇航總體技術》2022年第1期
作者：安林雪，王純一，李春宇，蔣孟龍，鄧燁
作者簡介：安林雪（1984-），女，碩士，工程師，主要研究方向為伺服系統多學科聯合仿真技術。
E-mail：alxdyx@163.com
單位：北京精密機電控制設備研究所/航天伺服驅動與傳動技術實驗室
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
此外,更高的熱電阻測量電動機的電氣連接邊(側1)。熱電阻較高的電氣連接電機(側1)與電機的幾何形狀(例如,運動不是完全對稱的),也由于電氣連接的熱量補充道。
圖5 CFD生成的圖表顯示了冷卻劑速度
圖6 CFD生成的冷卻劑通道溫度。
采用計算流體力學(CFD)和有限元分析(FEA)對系統的熱性能進行了建模。采用CFD方法對冷卻通道內的WEG流動進行了數值模擬。CFD生成的WEG速度和冷卻劑通道溫度如圖5和圖6所示。通過CFD分析得到了不同流量下的平均傳熱系數，并將其作為有限元模型的邊界條件，如圖7所示。模型采用表1所示的電機部件特性和表2所示的接觸熱阻。在EDT電機熱管理研發項目下進行了部件性能(不含鋁)和界面接觸電阻的測試工作。表2中提供的熱接觸電阻是初步估計。目前正在進行進一步驗證這些熱接觸電阻值的工作。
表1導熱系數值用于日產聆風電機定子的熱模型
表2熱阻值用于日產聆風電機定子熱模型
表3平均傳熱系數值
CFD和FEA預測的繞組和定子熱阻值如圖4所示。CFD估算的平均濕表面傳熱系數值如表3所示。
展開 【AICFD案例教程】電機換熱分析
一、概 要
1）案例描述
本案例針對的是某類電機，該電機由發熱體，流體管路，流體管路蓋板組成，分析該電機在入口質量流量為0.139kg/s時進行換熱的數值模擬。具體結果可查看后處理云圖。
2）網格
整體網格為四面體網格單元為主的非結構網格，網格數量380萬。
圖1-1 網格模型
3）計算條件
入口邊界：質量流量0.139kg/s；溫度：65℃；
出口邊界：
靜壓0Pa；
湍流模型：
Standard k-epsilon；
介質：
流體LLC_65deg。
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 永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
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 增程式電機控制器高效熱分析與研究
但是，增程式電機直接與發動機曲軸集成連接，發動機本身產生的高溫也會傳遞給電機系統，使其工作環境非常惡劣，嚴重時甚至導致電機控制器溫升過高損壞或者故障，因此開發增程式電機系統的關鍵便是有效的熱管理設計。
本文正是針對一款增程式電機控制器的散熱需求，設計了增程式電機控制器及其高效的雙面水冷散熱器，并介紹了該增程控制器整體結構和其散熱器冷卻結構。
為了進一步研究其散熱器冷卻效果，分別對該增程式電機控制器的功率模塊和薄膜電容進行了熱仿真研究和臺架溫升測試，通過對比分析可知，本文的增程式電機控制器散熱器冷卻結構具有良好的散熱效果，能夠滿足在發動機周圍長時間工作的需求，對于同類型增程式控制器的結構設計具有一定的參考價值和借鑒意義。
1總體設計
1.1控制器結構設計
圖1(a)為本文設計的增程式二合一發電機系統結構，電機控制器位于電機右上方，電機由定子和轉子組成，電機機殼法蘭面與發動機外殼法蘭安裝面連接固定，電機轉子通過轉子輪轂與發動機曲軸法蘭盤連接，實現整個增程式電驅動系統與發動機的集成。
圖1(b)為本文設計的增程式電機控制器。增程式電機控制器采用平板式IGBT模塊(GD400HTX75P7S)，薄膜電容規格設計為500V/250μF(C362H257N0026A8)，其中，薄膜電容固定在箱體底部，散熱器位于薄膜電容上方，與箱體內部進出水口相連接。
功率IGBT模塊通過螺栓安裝在散熱器上表面，磁環濾波組件、三相輸出組件分別安裝箱體底部的兩端，并且磁環濾波組件與薄膜電容輸入銅排電氣連接，三相輸出組件通過轉接銅排與功率IGBT模塊的輸出端子電氣連接。
展開 