CFD专栏丨电机一维CFD快速热仿真

电机快速热仿真方法

集总参数热模型

集总参数热模型（Lumped Parameters Thermal Model ）是根据传热学基本定律和电路理论，将分布热源和热阻等效为少量的集中热源和热阻，为电机建立等效热路（网络）模型，通过电路理论分析求解热路模型，得到电机各部件温度的方法。热路模型中的热源为电机各部分损耗：绕组铜耗、定转子铁心的铁耗、永磁体损耗和摩擦损耗。热阻可以根据理论公式、经验公式和实验数据计算得到。这种方法优点是：模型简单、计算量小，在电机参数优化过程中能够快速地计算电机温度。

FluxMotor 和Flow Simulator耦合分析

电机快速热仿真

FluxMotor用于电机的概念设计，以较短时间进行电磁性能、散热冷却策略和结构 NVH 评估的仿真。从v2024.1版本开始，用户可以在FluxMotor模块中导出电机的集总参数热路模型，并调用一维流体CFD模块Flow Simulator求解，通常稳态温度场计算仅需十几秒。

FluxMotor 的热设计

► Step1：选择电机结构形式

Topology

• 定子和转子尺寸，级数
• 气隙

HOUSING（壳体冷却方式）

• 机座尺寸
• 散热筋布局（径向/平行）
• 水冷回路（zig-zag/Solenoid/user define）

SHAFT 

• 主轴和轴承尺寸

► Step2：转子和定子电磁参数

Rotor

• Magnet永磁体参数
• Polarization极化参数

Stator

• Slot定子槽参数 
• Winding绕组参数

► Step3：冷却参数

External 外表面冷却模式

• 自然对流冷却
• 强迫风冷

Internal 内表面冷却模式

• 自然对流冷却
• 强迫风冷
• 接触热阻
• 等效槽内热模型

► Step4：选择材料库

• 壳体，主轴，轴承
• 转子磁体
• 定子绝缘，磁钢，线圈
• 流体材料

► Step5：Test 虚拟测试

• 用户可以根据之前步骤输入的电磁参数和热参数，进行电机的虚拟性能测试。
• Thermal根据电机运行参数分析的铁损，铜损和机械损耗进行温度场的计算。

从FluxMotor的温度场快速分析结果可以显示：

• 电机能否在目标工作点运行而不会出现过热？
• 不同类型的冷却是否有助于达到良好的性能？

► Step6：Export 数据导出

• 在Advanced Tools工具栏中，点击Flow Simulator，导出电机的热路模型，文件包含后缀名*flo的模型数据，以及*png图片。
• 用户可以在Flow Simulator中基于现有模板，进一步细化电机热路模型，提高分析精度。

► Step7：Flow Simulator中打开*flo文件，查看电机热路模型。

FluxMotor导出的电机热路模型默认从两个维度创建：轴向和径向。按区域可分为以下几组：转子，定子，绕组，气隙，端部空间，轴承，主轴，壳体，以及热辐射网络。每组自动打包成一个Group，用单个颜色盒子显示，双击可以解压展开。这样用Group分组显示复杂的热网络模型，方便用户查看。

电机轴向热网络（Group view）

电机轴向热网络（Group展开图）

电机径向热网络（Group view）

轴向和径向热网络图

永磁体，磁钢，绕组等相邻固体之间存在接触热阻，材料本身内部也存在热阻。空气和固体表面存在对流冷却，和局部流速有关。不直接接触的固体表面之间还存在热辐射交换热量。FluxMotor自动搭建出星形热网络，该网络共包含约200个基本的传导，对流，辐射等元器件，极大的提高了建模效率。

对于这款电机，转子采用插入式永磁体，转子表面覆盖着一层薄的金属，对传热的影响不能忽略，热网络模型在自动生成的时候也考虑到了这点。

定子和转子热网络（局部）

 (a)转子热网络

 (b)定子热网络

Flow Simulator一维CFD模型

基本的热网络是通过搭建若干个convector, conductor, radiator热单元组合，描述复杂的热系统。如果系统内必须求解流体的温度变化，通过搭建若干个tube, fan, pump, junction, orifice等流动单元组成流动网络，描述冷却系统。

Flow Simulator的热单元库

一维Thermal Network模型

• 流动网络和热网络可以耦合，交换热量。例如电机壳体的液冷通道，可以计算出冷却液的温升，压力降。
• 可计算稳态温度场或瞬态温度变化过程。

Flow Simulator 的分析类型

管路外冷却（Thermal Network）+ 管内流动（Flow Network）

电机热网络模型搭建完成后，可执行Muticase多工况，优化和参数敏感性分析。例如，对于电机的气隙尺寸，磁钢导热系数，绝缘材料厚度，冷却液流量等参数设定变化范围，分析对温度影响最大的参数。

Flow Simulator的电机冷却模型

气隙冷却：空气在狭窄的环形通道中流动，冷却定子内表面和转子外表面，研究表明流态呈现复杂的环形Taylor-Couette流，换热系数采用Taylor Rotating Gap模型计算。

气隙冷却模型

► Taylor Rotating Gap 理论公式

气隙的Taylor数

Nusselt数计算公式

气隙的对流换热系数

Motor End Space Convection 端部冷却：可分为5类：

1. 转子端部
2. 定子端部
3. 轴端部
4. 绕组端部
5. 壳体端部

电机内部空气冷却主要是转子高速旋转带动，FlowSimulator根据电机形状和转速确定相应的对流换热系数HTC。

电机端部冷却模型

► Motor End Space Convection理论公式

► 电机外壳体冷却：根据散热翅片的布局和尺寸参数计算HTC

电机外壳体冷却模型

► 散热片冷却理论公式

竖直散热片

水平散热片

液冷通道：根据通道的尺寸，材料，表面粗糙度，冷却液流量计算HTC。

液冷通道计算模型

► 液冷通道的理论公式

雷诺数

层流Nusselt数

湍流Nusselt数

液冷对流换热系数

► 冲击式冷却

功率密度高的电机会采用冲击冷却，让冷却油直接和端部绕组等高温部件接触带走热量。

敞开式冲击冷却

浸没式冲击冷却

冲击冷却模型

► Impingement 模型理论公式

液体冲击冷却的Nusselt数

► 冲击冷却模型验证试验

喷嘴尺寸

热源表面热电偶位置

不同喷嘴的Nusselt数

电机验证模型

• 永磁同步电机，额定功率75kw。
• 测试采用两种工作模式：正弦电流，PWM逆变器。

电机外观

电机参数

电机内部热电偶（红点）

电机外部热电偶

电机两种工作模式下的损耗

不带变频器的电机温度

仿真和试验对比

带变频器的电机温度

仿真和试验对比

► Flow Simulator热网络模型计算结果（稳态温度场）

Flow Simulator电机温度（不带变频器）

本期的电机一维CFD快速热仿真分享就到这里啦，下一期我们将分享更多实用功能，敬请期待。

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