電機散熱的案例
電機散熱系統的研究現狀與發展趨勢
來源：EDC電驅未來
引言
新能源汽車、機器人和高精度數控機床等國家重點支持領域的發展對電機的效率、功率密度、響應速度和振動噪聲等性能指標提出了更高的要求，促使電機向高精度、高功率密度、小型化、輕量化和機電一體化等方向發展，帶來了電機內部發熱量急劇增加、有效散熱空間嚴重不足等問題，因此散熱問題成為電機系統進一步向高功率密度方向發展的瓶頸。電機內部溫升過高不僅會縮短電機內部絕緣材料的壽命，而且會降低電機的運行效率，使得發熱量增加，造成電機溫度進一步上升，形成惡性循環，嚴重影響電機壽命和電機運行的安全性。據統計，30%～40%的永磁電機失效是由電機溫升過高引起的，因此，采用高效的散熱系統抑制電機溫升是電機向高效率、高穩定性和高可靠性方向發展的關鍵。
風冷、液冷和蒸發冷卻散熱系統是三種常用的電機散熱系統。風冷散熱系統憑借成本低、可靠性高和安裝方便等優勢在小功率電機散熱領域得到了廣泛應用。相較于風冷散熱系統，液冷散熱系統具有極高的散熱效率，其散熱效率可以達到前者的50倍，適用于電機發熱量大、熱流密度高的散熱場合。然而液冷散熱系統需要額外的循環液路與密封系統，增加了電機系統的成本和復雜性。目前，由我國自主研發的蒸發冷卻散熱技術在兆瓦級大容量發電機組的散熱系統中得到了廣泛應用，其主要原理是利用工質的氣液相變循環實現對電機的高效冷卻。蒸發冷卻技術可以有效降低電機運行溫升。
高效化是電機散熱系統發展的重要方向，優化電機散熱系統結構參數是提高電機冷卻效率的常用手段。近年來，通過在電機關鍵發熱部件與冷卻殼體之間構建額外熱路來提高電機散熱效率的額外熱路增強型電機散熱方案得到了研究與應用。
展開 來稿 | Ansys CFD在電機散熱仿真中的應用
【前言】10年前，作為CFD仿真技術支持工程師的時候，最驕傲的一件事就是做了一個全電機的散熱仿真咨詢項目，雖然很辛苦，但項目的鍛煉價值極高，讓我在后續多年工作中都受益無窮。
那個時候采用的是DM和ICEM交替來簡化電機模型，現在有了SCDM神器，模型處理效率大大提升。那個時候計算機硬件內存有限，網格劃分只能采用混合網格，用混合網格，模型又必須進行相應的等效和簡化，所以你除了要熟悉電機的工作原理，你還需要對電機組成結構的每一部分的功能和作用都了如指掌。而現在有了Ansys Fluent Meshing，網格劃分的效率大幅提升，針對Ansys CFD電機散熱仿真的關鍵技術包括：模型簡化、網格劃分、接地系數、絕緣處理、風扇罩處理、氣隙處理等等。
1
電機散熱仿真分析的必要性
電機是一種實現機電能量轉換的電磁裝置。從19世紀末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產機械的原動機。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。
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。
展開 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 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
本文部分內容摘自：”專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程“ 中" TCE(熱電制冷)散熱系統設計 "章節中部分內容。
詳細了解本課程，也可點此下方鏈接：
專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程（國內首套有關散熱理論設計的系統培訓課程）
圖1 2012款Nissan聆風的電機
圖2電機水道
如圖1所示為2012款Nissan聆風的電機。電機為永磁同步電機，最大輸出功率為80kw。電機采用分布式繞組定子結構。圖2中展示了由壓在電機定子周圍的水-乙二醇（WEG）冷卻套組成的熱管理系統。冷卻套由鋁制成，有三個相對較大的冷卻通道。冷卻通道的尺寸大約是35mm寬，12.5mm高。冷卻套的內徑約為200mm，外徑約為250mm，軸向總長度約為210mm。冷卻套(不包括定子和轉子)的近似重量為10.1 kg。
對電機熱管理系統進行了熱性能測試。為此，電機首先連接到WEG流量測試臺。在入口溫度為65℃時，試驗臺通過冷卻套循環WEG(按水和乙二醇的各為50%的混合物)。測量了系統在不同WEG流量下的熱阻。采用直流、大電流、低壓三種電源對電機繞組進行加熱。約160A通過電機的所有三個階段提供約530 W的總熱量。在每個相的正、負(中性)側的壓降測量值，連同所提供的電流一起被用來計算所耗散的功率。
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。
展開 五級簡化，助你快速搞定電機CFD散熱
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 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??
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 基于MARC的鑄鐵散熱片熱機耦合分析
引言
在工程實際中電機是一個將電能和機械能互相轉換的裝置，其在運行中不可避免地會產生損耗，這些損耗將轉化成熱能，使得電機的溫度升高。理論研究表明，電機繞組溫度超過絕緣等級最大溫度10℃，其絕緣壽命就會減少一半，可見電機的溫升是影響電機工作的重要性能指標。
1 原理
雖然電機并不是均質物體，但是其發熱與散熱過程與均質物體相似。在研究電機的發熱和散熱過程中，我們可以假設其為均質物體，在均勻物體的發熱過程中，溫升隨時間變化是指數曲線關系，如圖1所示。
圖1中橫坐標t代表時間，縱坐標△T代表溫升。電機的發熱也遵循圖1的規律，開始時溫度上升較快，隨著時間的變化，電機溫度增加，周圍介質所吸收的熱量也逐漸增加，直至電機在單位時間內所產生的熱量全部被周圍介質吸收，電機自身的溫度便不再增加，達到穩定狀態。工程實踐中，都希望電機到達溫度不變的時刻早一些，可見，增加電機的散熱能力是降低電機溫升，縮短到達穩態溫度時間的有效途徑之一。
大多數采用鑄鐵材料作為機殼的電機散熱途徑是熱傳遞和對流換熱，其過程是定子鐵心通過熱傳遞的方式將熱傳遞給機殼，然后在機殼表面及散熱片的作用下通過對流換熱的方式將機殼的熱散發于空氣中。一般鑄鐵機殼上沿軸向設有散熱片，如圖2；也有采用環形散熱片的。
從鑄造工藝性的角度來說，我們希望鑄鐵機殼散熱片排列的越稀、越矮、越厚，但是從散熱角度來說，要求其排列密一些、高一些、薄一些。由于模具限制，我們很難更改設計完成的機殼，因此，在這之前的設計計算很重要。有限元技術應用發展之前，對于鑄鐵機殼的散熱分析研究主要依靠樣機試驗和經驗來確定，這帶來了很大的不準確性和資源浪費。有限元技術的出現，使得精確分析散熱工況成為可能。
展開 
為什么電機有變頻器保護還會燒毀？
變頻器對電機起保護作用，但不是說電機就不燒毀了。
對于多數情況，變頻器都是能保護電機不燒毀的，比如、過載、缺相等，但這還要看你的參數設置和實際使用，比如你的過流保護設置過大(一般默認都是150%)，你調大了，電機長期在100%額定電流以上運行，就容易燒電機。
又比如，頻繁的起停，加之電流又高，如果過載只是簡單的復位再開，也容易燒電機。
如果想變頻器對電機起完全保護作用，從工藝、設置上都要注意，設置上參數設置正確、不能盲目加大過載系數等，對電機勤保養、檢查。工藝上要注意負載變化(我們要求一般電流是不超90%的，超過了就要控制、檢查)。
一、為什么變頻器會燒毀電機
普通異步電機的散熱是靠電機屁股后面的風扇吹風散熱，如果長時間低頻運行(就是長時間運行在電機的額定頻率以下，電機轉速低風扇吹的風量就小，從而使電機散熱不良，太熱了就會燒毀電機。電機有問題了電機電流就會增大。超過變頻器的最大電流，變頻器就會實施保護停止輸出同時報一個故障代碼告訴用戶。
變頻器顯示OC就是過電流的意思。解決的辦法是把電機換成變頻專用電機，或者給電機加裝一個散熱風扇。或者是換功率大一點的電機。
二、燒機技術解讀
“燒電機的變頻器，基本上都是匝間短路、相間短路及對地短路，為什么變頻器容易燒電機，而且大部分還是變頻電機，與哪些技術指標有關系?”
在工頻供電情況下，電機繞組輸入的是三相50Hz的正弦波電壓，繞組產生的感生電壓也較低，線路中的浪涌分量較小。
在變頻 供電情況下，變頻器逆變部分將直流電壓轉換為三相交流電壓，通過控制六個橋臂的開關元件導通，關斷，來實現三相交流電壓的輸出。
展開 高精度模擬，多物理協同 | 《ANSYS電機本體設計仿真解決方案》現已開放領取
1 電機概念設計
2 電磁場有限元分析
· 一鍵有限元
· 自動自適應網格剖分
· 磁滯材料建模
· 電磁優化設計
· 損耗精確計算
· 高性能計算
3 電機結構分析
· 電機定子結構及模態計算
· 電機臨界轉速計算
· 電機轉子動力學分析
· 電機轉子疲勞壽命分析
4 電機散熱分析
· 直流無刷永磁電機散熱分析
· 某小型電機瞬態溫升分析
· 電鉆電機通風散熱分析
5 電機振動噪聲分析
6 電機振動噪音設計
· 基于聯合仿真的聲音分析及優化
· 結合測試與仿真的系統集成與聲音設計
· 面向最終用戶感受的聲品質研究
7 多物理場耦合分析
· 電磁、結構耦合分析
· 電磁、熱耦合分析
8 基于optiSLang的電機多目標優化設計
· 問題描述
· 輸入模型參數化
· Workbench中建立分析用Maxwell模型
· 定義輸入輸出變量
· 添加OptiSLang設置
二、本期資料如何獲取？
掃碼關注“上海安世亞太”微信公眾號
后臺回復“JSL”
即可獲得完整版資料冊
資料將在1-3個工作日內
發送至您的郵箱
展開 為什么有變頻器，電機也會燒？這樣的故障如何才能避免？
三、變頻器引起電機燒毀原因
電機的故障其實都不是電機本身的原因，大多是變頻器調試的不規范或者是非變頻電機當變頻電機使用等原因造成的，主要有以下幾種情況：
1、把普通電機當變頻電機使用
由于普通電機散熱風扇跟轉軸連在一起，當用變頻器調速時，轉速不穩定，達不到電機的額定轉速，散熱風扇不能發揮正常作用，引起電機散熱不好；再加上普通電機不是按變頻要求設計，從而使電機發熱或者燒毀。
2、變頻電機和變頻器不經過調試就直接連在一起使用
變頻器控制電機最常用的兩種方式是矢量控制和V/F曲線控制，每種控制方式都要首先將電機的類型（同步、異步、有無編碼器）、電機額定功率、額定電壓、額定電流、轉速或者極數、額定頻率、最高運行頻率、電機起動停止的加減速時間、變頻器控制電機的保護方式以及保護比例系數、載波頻率等設定好，缺一不可。這些參數設定好了以后，再選擇是矢量控制還是V/F控制。選擇矢量控制時，電機要空載跟變頻器配對動態自學習或者帶負載的靜態自學習，經過自學習后的電機跟變頻器配合才能發揮矢量控制的精確性；當選擇V/F控制時不需要自學習，參數調好后直接通電運行。
3、變頻電機風機運行方向跟風機上標示的旋轉方向不一致
風機不能發揮作用，引起電機散熱狀況變差，電機產生的熱量散發不出去，引起電機發熱或者燒毀。
展開 電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
這是由于冷卻介質只覆蓋到鐵芯端部，鐵芯兩端的繞組線包超出冷卻液覆蓋范圍，其散熱方式主要以輻射和對流散熱為主，散熱效果較差，所以繞組線包部位溫度明顯高于其它部件，這一仿真結果與實際測量結果也是相吻合的。
