来稿 | Ansys CFD在电机散热仿真中的应用
【前言】10年前，作为CFD仿真技术支持工程师的时候，最骄傲的一件事就是做了一个全电机的散热仿真咨询项目，虽然很辛苦，但项目的锻炼价值极高，让我在后续多年工作中都受益无穷。
那个时候采用的是DM和ICEM交替来简化电机模型，现在有了SCDM神器，模型处理效率大大提升。那个时候计算机硬件内存有限，网格划分只能采用混合网格，用混合网格，模型又必须进行相应的等效和简化，所以你除了要熟悉电机的工作原理，你还需要对电机组成结构的每一部分的功能和作用都了如指掌。而现在有了Ansys Fluent Meshing，网格划分的效率大幅提升，针对Ansys CFD电机散热仿真的关键技术包括：模型简化、网格划分、接地系数、绝缘处理、风扇罩处理、气隙处理等等。
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电机散热仿真分析的必要性
电机是一种实现机电能量转换的电磁装置。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机。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。
电机冷却的目的就是根据不同类型电机选择一种合理冷却方式，保证在额定运行状态下，电机各部分温度不超过国家标准允许的限值。电机的冷却方式，主要是指对电机散热采用什么冷却介质和相应的流动途径。改进电机的冷却技术，对提高电机的利用系数和效率及增加可靠性和寿命，特别对提高大型电机的单机容量，都具有重要意义。
为了找到最佳电机冷却方式，需要对电机在工作过程中的核心流动问题进行CFD仿真分析。通常电机CFD仿真分析的核心即是电机散热系统分析，涉及通风系统、通风部件、换热部件的设计优化以及电机核心部件温升（起动时及额定工况）等问题。
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针对不同类型的电机，其散热系统问题有所不同，概述起来包括以下几类：
1）电机通风部件到整体的阻力特征精确分析（通风系统风路）
2）风扇性能分析及优化
3）风扇流致振动及气动噪声分析
4）冷却器、换热器风阻及性能优化
5）液冷管道性能优化分析
6）其它关键结构件散热分析
7）全机通风散热仿真分析（确认核心部件温升及散热系统设计）
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电机CFD散热仿真中的关键技术
3.1
模型简化
接线盒、吊环、单面的风扇罩、线圈、轴承、内部散片、基座、动域等如何简化及处理，这里将会有大量的简化技巧存在。
3.2
网格划分
3.3
接地系数
电机与大地接触，那么很多工程师忽略了接地的散热，那么接地的散热是否应该忽略，依据是什么？
3.4
绝缘处理
电机容易不容易出问题，就是绝缘会不会出问题，绝缘也会直接影响到电机的散热性能，对绝缘的处理将直接影响到电机的散热仿真结果。
3.5
风扇罩处理
风扇罩厚度及后面大量细小网孔，将会严重影响到整体网格划分。
3.6
气隙处理
定子和转子之间的气隙非常小，那么对它的处理方法有多种方式。
3.7
典型结果展示
通过仿真计算结果得到电机的温度分布与客户在试验中测试得到的实验值吻合较好，对客户电机散热性能的优化提出建设性的意见。
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Ansys CFD电机散热仿真优势总结
模型处理能力：该电机模型的处理采用的是ICEM和DM混合处理的方式，DM对于删除倒角、键槽等非常方便，ICEM对类似吊环等处理较方便，并且对于模型的丢失及清补非常方便。Ansys在2014年收购的SCDM对于简化电机这样复杂模型将更方便。
网格划分能力：电机模型相对较复杂，采用ICEM混合网格划分策略可以大大降低网格数量，Ansys新推出的Fluent Meshing网格划分模块在处理类似电机这样复杂模型，优势更加明显。
仿真求解能力：FLUENT具有丰富湍流模型适合各类工业湍流，具有多参考系物理模型处理类似电机风扇这类带旋转计算域模型，并且Interface插值功能可以高效处理混合网格划分带来的交界面数值误差，在Interface插值过程中，还能自动生成接触热阻，该功能可回避薄壁模型的创建及网格划分。
后处理能力：模型的颜色渲染及透明渲染功能强大，多工况的同步对比功能可以方便同步对比设计方案及提高后处理效率，针对速度、压力场随剖面位置动画制作可以大大提高后处理的流场显示效率，并且后处理模块还能自动出仿真计算报告。
关于Ansys CFD
计算流体动力学 (CFD) 是一款操作灵活、结果精确、应用广泛的仿真工具。Ansys CFD 不仅能提供定性结果，还可就流体的相互作用和平衡做出准确的定量预测，让新手和专家用户都能运行出色的 CFD 仿真。全新基于任务的工作流程有助于用户开展更多的工作：只需进行简单的学习便可在较短时间内准确地解决复杂问题。
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