五级简化,助你快速搞定电机CFD散热
图1 常见的液冷电机与CFD散热仿真
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
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
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
|
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。
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