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CFD仿真技术在电机冷却设计中的应用

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CFD仿真技术在电机冷却设计中的应用
[郑国丽，丰帆]
[南车株洲电机有限公司，412000]
[ 摘要] 本文主要从三个方面介绍了CFD仿真技术在电机冷却设计中的应用。

首先，介绍了电机通风散热仿真分析过程中计算域的选取，模型简化，网格划分和边界条件设置等；其次，介绍了电
机温度场计算中热源加载的两种方式，以及输出和显示仿真结果对电机结构设计的指导作用；
最后，说明了试验数据对完善仿真方法的重要意义。

[ 关键词]电机冷却设计仿真分析CFD
The Application of CFD Simulation Technology in the
Motor Cooling Design
[Zheng Guoli, FENGFan]
[CSR Zhuzhou Electric Co., Ltd, 412000]
[Abstract] This paper described the application of the CFD simulation technology in the motor cooling design from three aspects. First of all, the set of domain selection, model simplification,
meshing and set of boundary conditions in the process of motor ventilation simulation
analysis. Secondly, two ways of loading heat sources in the simulation of temperature field,
and the guiding role of the output and display of simulation results motor structure in the
design. Finally, explained the significance of the test data on improvement of the simulation
method.
[Keyword] motor, cooling design, simulation analysis, CFD
1前言
目前，仿真分析已经成为国内外企业技术创新的重要手段，为企业带来了显著的经济效益。

国内的一些科研院所也早已展开了仿真分析，使得仿真分析无论在应用学科广度和工程应用深度方面都有较大提高。

仿真分析不再仅仅是产品设计的后期验证，而前移到产品设计流程的前端为产品设计提供强力支撑。

以往电机的通风散热分析相对于电磁分析来说很少被关注，设计者在进行中小型电机温升计算过程中，通常根据经验公式计算，只能得到温度的平均值，无法预测电机整机温度分布。

随着电机容量的加大，高效率、节能型、低成本电机的推广，电机温升成为电机面向大容量发展的主要障碍，电机温升计算受到越来越多的的关注，仿真分析方法作为电
机冷却设计的新技术逐渐被电机设计者认可和接受。

采用仿真分析方法不仅可以直观的了解电机整体温度分布，也减少了原型机试验，缩短了研发周期，节约研究经费，为获得最佳方案提供有力的支持。

电机产品品种繁多，结构复杂，在进行电机温升仿真计算过程中要求仿真人员有一定的仿真能力，不仅熟悉仿真工具，还要对电机方面和流体传热方面有一定的理论基础[1-5]。

分析仿真结果的准确性，以及指导设计是仿真计算的最终目的和使用价值。

本文根据以往对几种电机通风散热的仿真分析，简要叙述了仿真过程中遇到的问题和解决方式，以及仿真过程中的一些注意事项。

2计算域选取
在进行电机通风散热的仿真计算中，首先要根据电机结构，所要分析的问题，想要获得的结果来确定计算域。

如图1所示的几种电机结构，对于冷却器冷却的空空冷电机，考虑冷却器内外空气的热交换，既无对称性也无周期性，因此要准确计算电机各部件温升，只能选择整机的固体域和流体域作为计算域。

对于图示中强迫风冷的电机，结构尺寸和物理特性上均具有对称性，可按照结构的对称性选取一半作为计算域进行计算。

对于机座具有散热筋结构的电机，热量主要通过机座表面散出，机座表面对流换热系数很难通过试验和经验计算得出，因此在建立计算域时，除建立电机内部结构，电机外部需要建立足够的流体空间域，从而保证计算结果的准确。

图1 电机结构示意图
在进行结构设计过程中，如果只想获得风道结构中冷却介质的物理特性，例如：速度、流量和压力分布等，只要建立流体域作为计算域即可。

对于一些细节结构的研究，也可以根据结构特性和已知的边界条件只建立局部模型进行计算。

2.1模型简化和网格划分
电机结构复杂，进行整机温度场计算，无论模型建立和网格划分都具有一定难度，因此建模时需要简化一些细节从而降低网格划分的难度，模型简化的前提是简化的结构对电机整体的通风散热影响很小，否则将影响计算结果的准确性。

网格划分过程中，为保证不重复工作，网格划分前应构思整体网格划分策略。

例一如将整体计算域分成不同的块进行划分，块与块之间的衔接，几何尺寸的对应，网格尺度的匹配，以及各个边界的命名等均需要考虑对结果的影响。

保证网格质量，控制网格数量是保证计算顺利进行的重要条件之一。

2.2边界条件和热源加载
无论计算电机的全局模型还是局部模型，边界条件应选取电机实际运行工况的己知条件，例如电机各部件的材料属性，电机的旋转速度以及电机运行的环境温度等。

电机入口给定的流量、压力或速度按照实际情况给定是保证结果准确的前提。

电机的温升计算涉及电机热源加载，热源主要来自电机运行时产生的损耗，热源加载主要通过两种形式，一种是根据电机发热部件的损耗值，计算发热部件的热流密度，认为损耗是均匀分布的；另一种是通过耦合计算加载热源，将MAXWELL软件计算的损耗值直接导入到FLUENT软件中，通过耦合方法加载热源能够更好的模拟真实的损耗分布，减少计算误差。

2.3计算结果与试验验证
电机冷却设计的目的是降低电机温升，保证电机运行的安全性和可靠性。

除了保证电机温升不超过允许的限度，还应尽量保证温度分布的均匀性以减少温差引起的热应力。

因此，在电机设计中我们需要获得一些参数来指导设计，例如速度、压力、流量和温度分布等，仿真计算能够将这些参数输出和显示，如图2中显示的温度分布和图3显示的速度矢量。

图2 电机部件温度分布图
图3 电机内风扇的速度矢量图
通过计算得到的流量值，可预测是否满足冷却要求，分析流量分布，改进结构使流量按适当比例沿冷却通道流动，保证发热部件具有合适的温升等。

通过计算得到压力，可预测水冷电机需要提供的水压，以及风道内的压力分布，减少负压或压力过高引起的不利影响。

仿真计算除了能够输出电机各部位的温度分布，还能输出各部件的最高、最低和平均温升，以及可以判断空气流动方向的速度矢量图。

电机运行时，旋转部件产的机械损耗也能通过仿真计算得到。

电机通风散热的仿真分析能够为电机冷却设计提供有力的理论依据，但是判断仿真结果的准确性，使其达到仿真的真正目的和作用尤为重要。

为了能够完善仿真方法，以电机产品为实例，进行仿真计算和电机的温升试验，将计算得到的速度和温度数据与试验数据对比，分析误差产生的原因，从而避免产生误差的因素，完善仿真方法使其能够更准确的指导电机设计。

3结论
本文主要介绍了CFD仿真计算在电机冷却设计中的应用，概述了仿真方法和仿真流程，介绍了电机通风散热仿真分析流程中的一些注意事项。

举例说明了仿真计算得到的参数对电机结构设计的指导作用，同时说明了试验验证对完善仿真方法的重要意义。

[参考文献]
[1]丁舜年. 大型电机的发热与冷却[J].北京: 科学出版社,1992.
[2]魏永田, 孟大伟 ,温嘉斌. 电机内热交换[M]北京:机械工业出版社, 1998.
[3]А.И.鲍里先科, В.Г.单科, А.И. 亚科夫列夫. 电机中的空气动力学与热传递[M]，魏书慈，邱建甫译. 北京：机械工业出版社, 1985.
[4]王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.
[5]陶文铨. 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.。

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剖析暖通空调制冷工程中CFD技术的引入

剖析暖通空调制冷工程中CFD技术的引入

剖析暖通空调制冷工程中CFD技术的引入摘要：CFD技术即计算机流体动力学，其功能主要是可以对流动的流体数据进行捕捉，并建立数据模型，对其进行空间模拟分析，最后通过图像的形式进行显示，供对其进行分析。

CFD模拟设备具有操作简单，价格低廉，数值计算不受外界空间的限制、模拟各种工况等特点。

基于此，本文主要探究了暖通空调制冷工程中CFD技术的引入，以供参考。

关键词：暖通空调；制冷工程；CFD技术；引入引言：CFD技术是计算流体动力学，作为工程流体技术，在暖通空调制冷工程中发挥着重要作用，使得暖通空调运行中有了较高的制冷水平。

采用CFD技术，不仅空调的设计效果有所改善，而且暖通空调制冷系统有了更高的实际应用价值。

一、CFD技术的概述CFD技术是一种成本较低、速度快以及资料完备的暖通技术通过实现对整体设计过程中性能的提升改善空调制冷效果不强问题，从而保障整体空调系统的最优化模式。

作为一种应用频率比较高的工程流体技术，CFD技术近些年来的发展步伐较为快速，应用的范围也越趋广泛，特别是在暖通空调制冷工程中的应用，促进了暖通空调制冷技术水平的不断提升。

通过CFD技术的有效应用，暖通空调制冷工程的设计效果得到了明显改善，极大地增强了暖通空调的制冷效果，提高了暖通空调制冷系统的应用价值。

CFD技术是计算流体动力学的英文简称，该技术是建立在计算机技术基础上的一种数学模型，是具有资料完善、速度快以及成本低等特点的暖通技术。

CFD技术在应用过程中，采用数值求解对流体流动的微分方程进行有效控制，以此获得流体流动时的流场在某个连续区域内的离散分布情况，从而对流体流动的情况进行模拟试验。

二、CFD技术所具备的特点CFD技术的应用中，就是应用计算机技术构建数学模型。

在实际应用中，通过运行数学模式进行计算，不仅计算的过程简化了，计算的速度也会加快，计算的时间效率得以提高，工程效率也得以提升。

将CFD技术应用暖通空调的安装中，可以应用CFD技术将暖通空调工程划分为不同的模块，每个模块都有专人承担责任，做到分工明确，责任落实到人头。

牵引电动机冷却水套CFD仿真分析

牵引电动机冷却水套CFD仿真分析


水套结构 。 利用 Solidworks 软件建立冷却水套水道 三维模型 ， 按照水道布置方向不同设计如图 1 所示 的 4 种结构 ： 周向结构 、 全螺旋结构 、 半螺旋及轴向 结构 。
坠ρ +div （ρU）＝0 坠t
动量守恒方程
（1 ）
（a ） 周向结构
（b ） 全螺旋结构
坠（ρu） +div （ρuU）＝div（ηgradu）+S - 坠p u 坠t 坠x 坠（ρv） +div （ρvU）＝div （ηgradv）+S - 坠p v 坠t 坠y 坠（ρw） +div （ρwU）＝div（ηgradw）+S - 坠p w 坠t 坠z
表2 入口速度及体积流量
0.5 127.23 1.7 432.60 2.6 661.62 0.8 203.58 1.9 483.49 2.8 712.51 1.0 254.47 2.0 508.94 3.0 763.40 1.2 305.36 2.2 559.83 3.2 814.30
入口速度 /m · s-1 0.1 体积流量 ×10-6/m3 · s-1 25.45 入口速度 /m · s-1 1.5 体积流量 ×10-6/m3 · s-1 381.70 入口速度 /m · s-1 2.4 体积流量 ×10-6/m3 · s-1 610.73
能量守恒方程
（2 ）
（c ） 半螺旋结构
（d ） 轴向结构
图1
牵引电机冷却水套水道三维模型
坠（ρT） ＋div （ρUT）＝div λ gradT +S （3 ） T cp 坠t 标 准 k-ε 湍 流 模 型 是 非 直 接 数 值 模 拟 方 法 的 43
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基于Fluent的管式防爆电机冷却系统数值模拟与优化设计

基于Fluent的管式防爆电机冷却系统数值模拟与优化设计

图 4 网格模型示意图
3 计算结果与分析
3.1 流场变化规律
图 5 冷却管表面速度矢量图
由图 5 可以看出，四种方案空气横掠叉排管 束时由于流通面的逐渐扩张，流体速度大小都 呈交替变化，且在冷却管背风侧由于分离绕流 产生局部涡旋。方案 1 最大风速 15.1 m/s，局部 风速过大，在最内层管处冲击严重，电机运行 过程中可能产生振动隐患；其他三种优化方案 最大风速为 6.8 m/s，方案 2 前两层风速较大； 方案 3 和方案 4 每一层速度均匀性相对较好， 但是方案 3 风速较大且均匀，增强了冷却管的 换热效果。 3.2 压力场变化规律 由图 6 可以看出，在相同速度进口条件下，冷 却管对流体的阻滞和扰动作用大。在冷却管流 通面两侧，压力先下降后上升。原因是流体在 经过冷却管时，流通面积的突变引起速度先增 加后减小，导致空气静压先减小后增加。方案 1
1 管式冷却系统设计
管式冷却系统主要由冷却管、支架、端盖、 外罩和壁板等组成，具体结构如图 1 所示。其 工作原理为：借助电机转子风道和风扇的动力 作用，电机内热空气进入管式冷却系统内，流 经冷却管外部壁面，被管内的外部低温空气冷 却，降温为冷空气，然后再进入电机内部达到 冷却的目的。其中冷却管排布为叉排方式，结 构形式见图 2。
14
图 7 冷却管表面温度场云图
3.4 评价因子及判定原则 评价方案优劣，通过制定评价因子 JF= 压差
变化率 / 热量变化率，仿真计算阻力和冷却管的 换热量，实现换热增强的幅度大于流动阻力增 加的幅度 [13]，通过进行不同方案仿真结果比较， 选出相对的最优方案。评价因子的判定准则一 般可分为以下四种情况考虑：
（Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd., Nanyang 473008 Henan）
CFD计算模拟在风力发电机组中的应用

CFD计算模拟在风力发电机组中的应用

CFD计算模拟在风力发电机组中的应用随着经济的快速发展和环境保护意识的觉醒，风力发电作为一种可再生能源，已经逐渐成为了近年来发展最快的清洁能源之一。

然而，如何提高风电系统的效率，降低能源成本成为了风电工业发展中的一大难题。

众多的风电机组直接依赖气象特征所带来的风向、风速等条件，这些都与研究风力发电机组定制化设计有关。

因此，大规模风电发电及提高其效率就是一个需要长期探索的实际问题，这也就催生了CFD数值模拟在风力发电机组中的应用。

一、CFD数值模拟概述计算流体力学（CFD）是利用数值方法和计算机仿真技术对物理问题进行模拟和计算的一种科学方法。

而CFD数值模拟通常采用数学模型解决物理问题，并且基于数学表达式和计算机仿真技术进行计算，因而对流量、速度、压力等物理量的变化拥有更为细致的分析。

在风力发电机组中，CFD数值模拟技术被广泛应用在改进风机翼型、提高机翼空间尺寸和优化排列机组中。

CFD数值模拟技术本身具有计算精度高、可逆性强、计算成本低等优点。

同时在工业领域中，CFD数值模拟已成为基础研究的重要方法之一。

二、风力发电机组CFD数值模拟的应用1.优化风机翼型设计风机叶片设计的关键因素是气动性能分析，包括风机的空气动力特性和结构特性。

在这方面，CFD数值模拟技术可以通过建立在数学模型上的理论模型，对风机羽片进行分析。

在风能装置的设计过程中，风机羽片的主要考虑方向是在满足一定风量前提下，风机的效率要尽量提高。

基于CFD技术的建模和仿真方法，研究风机羽片的气流特性、流线形式、压力平衡等问题。

同时，也能通过优化和调整叶片的形状，改变气动参数分布，来实现对风机效率和性能的提升。

2.完善风能装置排列风能装置的排列对风能转换系数和效率有较大影响。

因此，针对风能转换设备的排列结构进行模拟和分析，应用CFD技术进行预判、设计、验证是非常有必要的。

CFD在风电机组模拟中的数学模型可以基于推动和旋转等变量，对定制化器械群的设计和排列方式进行仿真，进一步分析流场的分布情况以及机群相互干扰的影响等。