五级简化，助你快速搞定电机CFD散热

张杨

北京安世亚太公司

电机在运行时将产生各种损耗，这些损耗转变成热量，使电机各部件发热，温度升高。电机中的某些部件，特别是电机的绝缘，只能在一定的温度限值内才能可靠工作。为维持电机的合理寿命，需要采取适当的措施将电机中的热量散发出去，使其在允许的温度限值内运行。

图1 常见的液冷电机与CFD散热仿真

通常，在电机设计的过程中，采用CFD方法进行建模和仿真，可以快速计算得到电机散热情况和整体的温度分布，从而为我们的电机设计提供重要的数据支撑。不过，由于电机内部部件较多，各部分的发热与散热情况复杂，因此想要进行高效又准确的CFD模拟，必须要对电机模型进行简化才能达到目的。

当然，对计算模型的简化，必然会带来计算精度的损失，这一点是毋庸置疑的。如何权衡计算效率与结果误差之间的关系，很大程度上取决于工程师的选择，本文尝试通过对通用的电机模型的简化方法进行整理，从而提供一些方法供大家参考与选取。

 

既然提到简化，就不得不简单说一下电机CFD计算量巨大的根源。由于电机是高速旋转的设备，而且转子与定子之间还存在有非常狭窄的气隙，对于这一区域，我们必须要保证相当数量的网格来维持计算精度。正是因为考虑了这一细长的区域，导致电机的网格数量都是非常巨大的；同时，这些细小的特征还是无法被简化的。因此，我们尽量从其他的方面对电机的模型进行简化，从而在某种程度上来降低计算规模。

                            

图2 狭长的气隙是导致电机CFD计算规模巨大的“罪魁祸首”

 

如下图所示，是我们常见的电机设计CAD模型，不管我们采用RMPRT还是MotorCAD工具，都可以快速建立相对符合真实情况的三维模型。当然，CFD仿真通常是不会直接使用这一模型的，必须要进行一定量的简化。

 

图3 常见的电机设计CAD三维模型与简化后的电机模型

 

• 一级简化，绕组端部模型

这一部分的CAD通常都是首先被简化的区域，由于绕组在两端的形状相对比较复杂，因此直接划分这一部分的网格会导致网格数量巨大。因此，我们采用同心圆柱的方法对这一部分的铜线绕组进行简化和等效，可以较大的减小网格的数量。

 

图4 绕组端部简化前后的模型展示

 

在此阶段的简化，需要等效计算前后铜线绕组的体积差别，此数值对源项的输入数据会产生影响。简化后的端部绕组发热功率为：

• 一级简化效能评估：优秀

精度损失	☆☆☆☆★	较小
计算效率提升	☆☆☆☆★	较大

 

• 二级简化，转子部件中磁钢硅钢的相互渗透

在CFD仿真中，固体内部区域仅计算热传导，同时，此结果对流场的速度和压力分布也不造成任何影响，因此为了减小工作量，可以将转子部件的磁钢、硅钢等固体建立成一个实体，从而有效减小网格数量。需要注意的是，两部分的模型混合后，其材料属性也必须要相应的进行更改，对于稳态问题，固体的热导率是参与的仿真计算之中的，对于瞬态问题，密度和比热也是会影响计算结果的，因此必须对材料的属性进行修正

固体的等效属性（如密度、比热、热导率等）计算方法为

同时，和端部绕组类似，修改后的转子发热功率为

图5 转子部件简化前后的模型展示

• 二级简化效能评估：良好

精度损失	☆☆☆☆★	较小
计算效率提升	☆☆☆★★	良好

 

• 三级简化，铜线绕组与定子的结构耦合

与转子的耦合方式类似，定子的绕组和铁芯也可以进行同CAD模型的简化，当然，由于定子的大部分区域距离气隙位置较近，因此网格数量较多，所以该部分简化更多的时候并不能带来显著的网格减少。当然，对应的精度损失也是存在的，因此，大部分情况下并不推荐使用该方法进行简化。

等效材料的计算方法与转子一致，文中不在赘述。

 

图6 定子部件简化前后的模型展示

• 三级简化效能评估：较为合理

精度损失	☆☆☆☆★	较小
计算效率提升	☆☆★★★	中等

 

• 四级简化，封闭空间内的空气属性

对于液冷或自然散热等方式，电机内部存在有完全封闭的空气区域，这一部分区域在建立模型的时候，还需要分成多个部分来匹配转子和定子。因此，在CFD计算中，该区域的流场计算难以收敛，通常情况下需要更为密集的网格分布才能到达残差的要求。为此，如果我们希望在仿真效率上有所提升，同时仅损失相对较小的精度时，可以考虑将流体属性的空气改成固体，并将热导率进行一定的调整（通常是气体的3-10倍），用以匹配对流换热带来的影响。此时，由于不需要计算流场方程，通常案例会非常容易收敛，还可以减小气隙网格不足所带来的影响。同时，该简化方法也可以得到相对有效的仿真结果。

图7固体化内部空气的材料设定方法

 

• 四级简化效能评估：可用

精度损失	☆☆★★★	中等
计算效率提升	☆☆☆☆★	较大

 

• 五级简化，旋转部件的简化

电机虽然是高速旋转的设备，但是经验表明，部分转速不那么高的电机散热问题，在CFD仿真时可以不考虑电机的旋转，同时也能得到精度差别不大的结果。此时，我们就可以完全将电机变成一个无运动的散热装置，类似于电子产品散热仿真，此时，内部旋转所带来的流场问题就会被大大简化，仍旧可以得到比较有说服力的定性结果。

需要注意的是，文中的五级简化与四级简化目标类似，都是通过避免流体计算的非线性来提升计算效率的，因此两者选一即可。

 

 表 某小型电机的计算结果情况

转速 (rev/min)	某监测点温度 (℃)	水冷出口温升 (℃)	说明
0	80.6	70.3	转速较低时，简化方案可行
500	80.7	70.4
1500	82.9	72.3	转速较高时，误差较大
3000	83.3	73.0
6000	85.1	74.1

 

•  五级简化效能评估：特定情况下可用

精度损失	☆★★★★	较大
计算效率提升	☆☆☆☆★	较大

 

当然，实际上电机的简化还有非常多的环节，比如风扇的简化，1/2或者1/4以及周期对称的简化、机壳的散热简化等。但是这些问题都是和具体的电机类型相关，无法总结出一个规律性的结果。因此，就简单总结以上五级简化方案供大家参考。要效率还是要精度，一切都掌握在“您”的手中。