基于Fluent風冷電機流場及溫度場的仿真攻略

導讀：電機在運行過程中會產生損耗，這些損耗會使電機發熱，影響電機效率。電機發熱對繞組絕緣材料的物理、電氣及力學性能都有影響。當電機溫度過高時，會加速絕緣材料的老化，降低絕緣材料性能，更嚴重時會燒毀電機。因此，對電機散熱進行分析具有重要的實際意義。如果在產品設計前期能夠確定較為合理的冷卻方案，不僅能夠保證電機穩定運行性能，也能延長電機的使用壽命。

一、電機散熱方式有哪些？

       電機根據自身容量、功率密度及工作環境等因素采用不同的散熱方式。目前主流的電機散熱方式主要如下：

       1、自然冷卻。這種冷卻方式一般適用于微小型電機，這種電機一般在機殼外部設置翅片，依靠空氣自然對流和輻射散熱。

       2、通風冷卻。通風冷卻也分為自扇冷卻及他扇冷卻。自扇冷卻一般在電機轉子上裝有風扇，依靠轉子轉動風扇產生風壓進行強迫冷卻。他扇冷卻一般利用外部風扇或鼓風機驅動冷卻風對電機內部進行冷卻。

       3、通水冷卻。中小型電機通水冷卻方式一般采用機座帶水套通水冷卻或在定子鐵芯軛部通冷卻管路等方式。大型電機則廣泛采用內部冷卻方式，即采用空心繞組，冷卻介質通過繞組內部帶走熱量。

       4、其他方式。一些特種電機及特殊工作環境的電機也有采用氟利昂相變冷卻等其他散熱方式。

二、風冷電機的基本通風結構

       風冷電機內部的風路結構也分為軸向通風結構、徑向通風結構以及軸徑向混合通風結構。軸向通風結構一般在定、轉子開設軸向通風道，冷卻風從電機一端進入，通過軸向通風道從另一端流出。但是這樣會導致軸向方向溫度分布不均勻，出口端溫度較高。徑向通風結構則是利用分段式定轉子鐵芯段之間的間隔作為徑向通風道，這樣可以有效增大散熱面積，并且鐵芯及繞組沿軸向方向溫度分布相對均勻。軸徑向混合通風結構則是綜合了兩種通風結構，包含了軸向通風和徑向通風結構的所有特點。

三、風冷電機Fluent仿真流程

       以一臺自建徑向通風結構電機模型為例，介紹風冷電機流場及溫度場的仿真流程。計算流程如下：

1、SpaceClaim進行模型前處理，抽取內流場

       利用前處理軟件SpaceClaim對原始模型進行進一步處理，并對原模型進行簡化。利用體積抽取命令抽取流體域后，軸向取1/2模型，圓周取1/4模型。將流體域分割為轉動域及靜域，并對轉動域及靜域進行共享拓撲。

2、FluentMeshing構建流體域共節點周期性網格

       將第1步處理好的模型復制一份，將其中的固體區域刪除，保留處理好的流體區域。將處理好的流體域模型導入到FluentMeshing中，進行網格劃分。在處理好面網格質量以及對邊界進行命名后，需要用Recover Periodic命令建立周期性網格映射。最后通過Auto Mesh命令生成多面體網格。

3、電機風阻特性計算與風扇工作點求解

       風扇在工作時，由于電機內部存在阻力，風扇的風量達不到最大風量。因此需要先對電機的風阻特性進行求解，求解出電機阻力與入口風量的關系曲線，再與風扇P-Q曲線求交點，得到風扇在電機額定工況運行時的風量。對于電機風阻特性的求解，只需要在Fluent中設置一系列不同的入口風量，再將其對應的進出口壓差求出來，則得到電機的風阻特性曲線。

4、溫度場計算模型前處理

       將第1步保存的模型導入SpaceClaim中，繼續對固體部件進行處理。將定、轉子繞組在槽內及槽外的面分割開來。再利用群組命令進行命名，方便后續在Fluent中設置繞組自身的絕緣層熱阻。將所有零部件進行重命名后，再將相關邊界進行命名，最后對整個組件進行共享拓撲，方便生成共節點網格。

5、溫度場FluentMeshing共節點周期性網格劃分

       對于電機這種多部件的模型，如果用對各部件分開劃分網格，再用Interface對交界面進行匹配計算的話，雖然可以一定程度減少網格量，但是操作比較繁雜。目前計算機性能都比較強大，建議多部件的共軛換熱問題都采用共節點網格。電機的網格生成的難點在于絕緣層的處理。一般電機絕緣層很薄，但是軸向長度較長，是細長型的薄壁。如果網格尺寸過于稀疏，則長寬比可能很大，導致網格質量不行。一種方法是在FluentMeshing中通過設置Proximity尺寸函數，設置小間隙中的網格層數，保證絕緣層厚度方向有2層網格，但是這樣網格規模可能會比較大。另一種方法則是不對絕緣層進行實體建模，而是在Fluent中通過設置壁面熱阻來模擬絕緣層的作用。

6、溫度場在Fluent中求解設置及后處理

       電機在Fluent中的設置主要步驟如下：首先選擇合適物理模型；定義材料屬性；定義流體部件的材料及轉動域MRF設置；定義各固體部件的材料及熱源參數；定義正確的邊界條件及參數；選擇合適的算法；定義關鍵物理量的Report監控；最后進行初始化求解。求解結束后再利用Fluent自帶后處理功能，對結果進行進一步處理和分析。

       這樣，風冷電機一個完整的仿真流程便走完了。如果在設計初期，能夠對電機進行流場及溫度場分析，可以提出相關優化建議，降低電機運行溫升，提高電機穩定性及使用壽命，對電機設計具有重大實際意義。

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