五级简化,助你快速搞定电机CFD散热

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图1

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。

                            

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图2

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。

 

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图3

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图4

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。

 

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图5

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

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图6


同时,和端部绕组类似,修改后的转子发热功率为


五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图7


五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图8

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。

 

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图9


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。

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图10

五级简化,助你快速搞定电机CFD散热的图11

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。

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