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[转载]电机的整体散热仿真

2017-01-25 09:17阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1623069154

最近在做发电机热分析，这个写得比较详细。

原文地址：电机的整体散热仿真
原文作者：南极小强

之前做了不少驱动电机的整体散热仿真，简单记录一下操作流程。
1.几何清理
通常机械结构的数模都是比较复杂的，我们仿真的目的主要是计算电机的流体散热情况，重点部位是电机的冷却水道和发热源绕组，电机外部的机械结构通常对散热影响不大。为了简化后面画网格的工作，一般情况下会尽可能的对电机的机械结构进行简化。图1是一款汽车驱动电机的数模外形，最后我们会简化到图2这种程度。电机的内部结构比较规律，所做的简化较少。
Hypermesh的几何清理功能中的布尔操作，比较容易破坏几何模型，造成错误。目前来说进行几何清理最好的工具是Ansys Workbench的DesignModeler模块。多用face delete，将多余的面删掉即可，有时候免不了要重绘，比如轴承的简化。

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图1 某驱动电机数模
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图2 简化后的结构
2.网格划分
网格划分大概就是有限元处理最花功夫的地方了吧，现在用的比较多的画网格软件是hypermesh。电机内部结构一般都是挺复杂的。在流体仿真的网格划分中，比较重要的一点是整个的电机的所有网格单元都要尽可能的连通，即共享节点。这显然是不可能的，在网格不连通的地方需要设置interface面，即在不连通网格的两边都各设置一层面网格。
（1）我们一般都从最关键的定子和绕组部分开始。定子和绕组之间通常有一层绝缘纸，同时填满了绝缘硅胶。在仿真的时候一般把绝缘纸和硅胶等效成一种虚拟绝缘材料，具体和材料属性需要实验测试获取。这样就可以把等效绝缘和定子的网格都画在一起了，如图3。一般这种圆筒形的结构我们都争取划成六面体。
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图3 定子处网格
（2）绕组一般可以划成六面体或者四面体。划成六面体可以和等效绝缘连通，但要和电机内部两端的空气划interface，而且绕组曲率较大的部分不好处理；划成四面体需要和等效绝缘划出interface。一般是化成四面体。
（3）转子部分有转子、磁钢、平衡板、转轴、轴承、转子内空气等结构，这些结构连在一起，我们都尽量把转子的所有结构的网格连通，见图4，请仔细观察，所有网格都是连通对齐的。转子内空气体积不大，对转子的温度影响很小，不划也可以。
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图4 转子部分的网格
（5）电机的水道是很关键的部位。水道的网格要在画出有梯度的边界层网格来，如图5。具体步骤是在hypermesh下面板的3D->CFD tetramesh按钮，在boundary selection中把水道结构和两个水道的进出面选好，然后在BL parameters里设置一下层网格的参数，见图6。为了方便下面划机壳的网格，水道的网格类型设置成三角形（在2D parameters里）。
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图5 水道网格
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图6 水道网格BL parameters参数设置
（6）划好水道后，把电机的外壳画出来。电机的外壳一般分为前端盖、后端盖、内壳、外壳，内壳和外壳把水道夹在里面，有时候内壳和外壳是一体的。把水道的面网格划出来（用tools->faces->find faces按钮），单独放到一个comps里。划得时候把内壳和外壳不与水道接触的部分的面的网格划出来，然后点击3D->tetramesh->Tetra mesh，和水道的面网格一起生成体网格即可，这样水道的网格就和内壳、外壳连在一起了。前后端盖的网格如果不和内外壳连通的话，别忘了划interface的面网格。
（7）电机内部空气可是对电机的整体散热有很大的影响，必须要把电机内部空气的网格划出来。先来看定子和转子间的微小的间隙，由于定子和转子高速相对运动，这里的空气流动很快，要设置不同的材料参数，所以把他们单独划出来，划两层就够了。电机端部有较大体积的空气，一般一分成跟随转子转动的内部空气层，和与内壳和端盖接触的外部空气层。外部空气层与绕组接触，网格要和绕组连通，方法和水道的划法一样。
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图7 电机绕组、一侧的端部空气和定子转子间隙空气的网格
（8）这样电机的网格差不多就划好了，见图8。用tools->faces->equivalence合并重复节点，并用tools->check elems->duplicates找出重复的单元并删掉。检查下interface的面网格，他们是一对对的，一般有几十个comps，在hypermesh里提前命好名是个好习惯。比如：int_cover&coverinner_coverback，表示的是在外壳和内壳上的面网格，要和后端盖的面网格形成interface。一般流体仿真都是用一阶单元吧，用3D->order change把网格切换到一阶。
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图8 电机散热模型的网格
（9）导出成fluent的cas文件。点击菜单栏的export solver deck按钮，选择CFD、Fluent选项，选3D model，点击export保存成cas文件。
（10）用fluent打开cas文件，选择double双字符精度比较好一点。剩下的就是在Fluent里的设置了，不详细讲了。几个注意的地方是注意调整单位，一般hypermesh的模型导入fluent里都是以米为单位，要改成毫米。设置出入水口的流速、压力和温度。设置好电机各个部位的材料属性。最麻烦的大概是是设置interface面了，要仔细看好，不要搞混了（图9）。电机绕组的发热要根据电磁仿真的结果得到数据后，在hypermesh中量一下绕组的体积，然后填入发热功率。
（11）一般是先进行静态仿真，计算完成得到稳态的数据后，接着算瞬态的时候。可以点击solution controls的equations，把flow和turbulence去掉，使用稳态仿真的数据，只在瞬态里计算energy，加快计算速度。注意将minimum turb. kinetic energy的误差改小，设置成1e-15，不然仿真的结果会偏大。

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图9 fluent interface 设置
（12）一般是先进行静态仿真，计算完成得到稳态的数据后，接着算瞬态的时候。可以点击solution controls的equations，把flow和turbulence去掉，使用稳态仿真的数据，只在瞬态里计算energy，加快计算速度。注意将minimum turb. kinetic energy的误差改小，设置成1e-15，不然仿真的结果会偏大。
（13）计算完成后可以在CFD-post中查看结果，比如图10-图17。可以看到水道的某一区域热量集中，还是需要改进的。
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图10 冷却水速度矢量云图

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