ANSYS CFD 电机温度场仿真分析流程

ANSYS CFD电机温度场仿真分析流程
1前言
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的电机选择一种合理的冷却方式，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，都具有重要的意义。

为了找到最佳的电机冷却方式，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。

电机的CFD仿真分析的核心问题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问题以及电机核心部件的温升（起动时及额定工况）等问题。

2技术路线
电机的稳态温度场仿真的分析流程如下图所示。

3实施过程
以一个基于FLUENT的异步电机的稳态温度场分析为例进行说明。

3.1几何处理
电机的温度场仿真既涉及到空气的流动，也涉及到热量在绕组和其他结构件之间的传递，属于流-固共轭换热的范畴，因此仿真计算域中既包含流体域，也包含固体域。

由于流体域和固体域两者是互补的关系，所以在抽取流体域之前，需要先对固体域做处理。

电机模型较为复杂，细节特征较多，而流场仿真分析对网格质量的要求较高，因此在保证计算精度的前提下，需要先对实际电机物理模型做一些合理的简化从而尽可能缩小计算的规模。

简化对象的选取是根据具体结构对温度场计算的影响程度来决定：如果局部的细节特征对温度场计算的影响和主要因素相比可以忽略不计，那么这些细节就可以去除；如果考察的对象是局部的细节特征，则需要建立局部细化模型，从而考虑具体的细节特征。

在电机模型的简化处理中，电机的主体结构从运动角度可分为静止区域和转动区域。

其中主要的发热部件位于静止区域，而旋转区域则包括风扇、转子等，这些部分都应尽量按照实际模型建模，保留大部分细节。

而对电机整体散热性能较小的盖板、接线盒、外壳等，则可以将一些如小半径倒角等局部特征删除，从而尽可能的降低计算规模和提高计算效率。

部分几何处理的细节如下表所示。

名称细节处理示意
轴
定子
硅钢
片
前后
端盖
风扇
基座
电机温度场仿真的计算域中不仅包括流体域，还包括产生热量和传导热量的固体域。

在对固体域的处理完成后，还需进行流体域的抽取或创建。

此外，由于电机模型的较为复杂，为了便于区分不同部件，方便在后续网格划分中进行分别控制，且后续在FLUENT中的边界条件和计算域属性设置是以名称为对象的，因此在对几何对象进行命名时也需要尤为注意。

计算域动域
3.2网格划分
电机模型虽然经过了一系列的简化和处理，但是其几何复杂度依然很高，要直接对其进行整体网格划分依然十分困难，因此采用分块网格划分的方法。

先对现有模型进行分块，分别划分网格，并在划分网格的同时，一方面定义好对应边界，为接下来设置边界条件做好准备；一方面定义好分块的交界面，即interface，以保证在导入FLUENT中以后，可以设置交界面，完成非正则网格之间界面的定义。

整体模型的分块原则主要分三类，第一类是根据计算域的属性来分块，如计算域中同时存在静止区域与旋转区域，就可以根据域的运动特性，分为静域和动域两块，分别划分网格；第二类是根据计算域的几何复杂程度来分块，如果一个区域中存在多种不规则的几何，可以将这些几何划分为不同的块，分别划分网格，或者区域中存在一类不规则的几何，而剩下部分都是规则的，就可以因此将区域划分为规则部分和不规则部分，分别处理；第三类是根据计算域的几何的划分尺度来分块，如几何尺寸相比周围几何要小很多的情况下，一般会单独分块来处理。

处理后的部分网格分布形式如下表所示。

名称网布分布形式
定子
硅钢
片
定子
铜线
圈
转子
硅钢
片
风扇
前后
端盖
3.3求解设置
3.3.1交界面设置
由于此前对电机模型进行了分块处理，因此需要在FLUENT中合并分块的网格，即先将多个网格文件进行导入，然后再通过interface功能对已设定好的交界面对进行合并。

设置交界面可以保证不同块的网格在计算域中相互连接，由于交界面两边的网格不会完全一样，因此计算程序会通过插值的方式联系两边的网格。

在设置交界面时，如果有一边是固体，那么必须设置交界面为Coupled Wall，以保证两边温度耦合，如果两边均为流体，则不需要此项设置。

3.3.2计算域属性设置
已有计算域材料属性设定如下表所示，FLUENT自带材料库中没有的材料需要自行创建。

材料属性计算域对象
铁基座、端盖、定转子硅钢
铜定子线圈
铝转子铸铝
水泥大地
绝缘材料1气隙（做等效热阻处理）
绝缘材料2、3定子线圈外部包围的绝缘
空气流体域
其中，定子铜线圈和转子铸铝为发热部件，需在热源源项中设定其体积发热功率（打开能量方程以后方可设定）。

3.3.3多重参考系模型
对于计算域中同时存在静止区域和旋转区域的问题，FLUENT提供了三种模型：多重参考系模型（MRF）、混合平面模型（MPM）和滑移网格（SMM）模型。

其
中MRF和混合平面模型都是用于定常流动的计算，而滑移网格模型则用于非定常流动的计算。

本次仿真选用MRF模型。

在FLUENT中，对MRF的设置包括动域和静域的区域设置，在区域设置中包括旋转坐标系，旋转速度等，所有区域都应设置正确的坐标系，这个模型的坐标系为旋转坐标系。

由于在动域中还存在运动边界，如扇叶，因此需要对这类边界单独设置，定义它们和周围的动域相对速度为0，即跟随动域一起旋转。

3.3.4边界条件设置
被仿真电机的主要散热方式虽然为强迫风冷，通常选取电机的外壳作为计算域边界，进出口即为电机的进风口和出风口，这种情况下推荐选用收敛性最佳的速度入口和压力出口边界条件，电机外壳也设置对流换热系数来考虑外壳与外部环境的热交换特性。

本次仿真为了全面考虑电机整体散热性能以及电机内外的流场特性，将计算与扩大至足够大的大气环境区域，尽可能减少边界条件设定和实际情况的差异对电机温度场仿真结果造成的影响。

本次仿真中，除设置动域内的叶片和运动交界面的运动特性外，还需要设置计算域上边界为压力入口条件，四周边界为压力出口条件，下边界为壁面边界，并设定相应的接地换热系数。

由于环境温度会直接影响电机的温度分布及散热性能，因此在设定流动边界条件的同时，仍需注意对当前边界上温度特性的给定。

3.3.5物理模型选取及离散格式设置
电机的散热方式为强迫风冷，要考察其温度场，须打开能量方程，湍流特性选择Realizable k-ε模型进行模拟。

离散格式的选择如下图所示。

3.3.6收敛准则、初始化及求解
给定收敛准则，设定残差标准：当迭代的残差值小于设定值时，则认为当前算例已收敛。

在运算前，先需要对算例进行初始化，并设定求解步数，然后开始求解。

对计算精度要求比较高的模型，如果无法完全满足收敛准则要求，还可以选择检测关注部分的温度或其他流场信息。

在进出通量平衡的前提下，如监测值在迭代的过程中变化很小，也可以认为当前的仿真结果是收敛的。

3.4后处理
在算例收敛后，可以对当前结果进行后处理。

通过FLUENT自带的后处理，或者是CFD-POST后处理软件，除了可以得到计算域内各种变量信息的统计数据外，还可以得到诸如云图、矢量图、流线图等图片，以及给定特征的动画文件等。

下表显示的是电机的部分仿真结果。

说明图片
流线图a
流线图b
定子温度分布云图
定子线圈温度分布
云图
转子温度分布云图
转子铸铝温度分布
云图
外壳温度分布云图
a
外壳温度分布云图
b
典型截面
温度分布
云图
基座表面
换热系数
分布云图
4总结及展望
在本次仿真中，虽然尽可能考虑了外部环境对电机散热能力的影响，但是仍做了大量的简化工作，如将气隙处理为等效热阻，忽略了风扇罩的影响等。

如果需要等到更为精确的温度场分布情况，可以不采用或者少采用等效替代的处理方式，尽量按照实际的情况进行设置和仿真。

此外，仿真中给定的热源为均布常数热源，这与实际情况也有较大差异。

具有一定实力的单位可以对电机进行电磁-热、电磁-热-结构的多物理场耦合仿真，即可以通过电磁软件求出电机内发热器件的热源分布情况，通过映射方式将分布式热源加载至CFD仿真软件中进行温度场分析，CFD仿真得到的温度场信息还能传递至结构软件进行热应力和变形分析。