基于Fluent風(fēng)冷電機(jī)流場及溫度場的仿真攻略
導(dǎo)讀：電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生損耗，這些損耗會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，影響電機(jī)效率。電機(jī)發(fā)熱對(duì)繞組絕緣材料的物理、電氣及力學(xué)性能都有影響。當(dāng)電機(jī)溫度過高時(shí)，會(huì)加速絕緣材料的老化，降低絕緣材料性能，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)。因此，對(duì)電機(jī)散熱進(jìn)行分析具有重要的實(shí)際意義。如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期能夠確定較為合理的冷卻方案，不僅能夠保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行性能，也能延長電機(jī)的使用壽命。
一、電機(jī)散熱方式有哪些？
電機(jī)根據(jù)自身容量、功率密度及工作環(huán)境等因素采用不同的散熱方式。目前主流的電機(jī)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(jī)，這種電機(jī)一般在機(jī)殼外部設(shè)置翅片，依靠空氣自然對(duì)流和輻射散熱。
2、通風(fēng)冷卻。通風(fēng)冷卻也分為自扇冷卻及他扇冷卻。自扇冷卻一般在電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有風(fēng)扇，依靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生風(fēng)壓進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。他扇冷卻一般利用外部風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)對(duì)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻。
3、通水冷卻。中小型電機(jī)通水冷卻方式一般采用機(jī)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(jī)則廣泛采用內(nèi)部冷卻方式，即采用空心繞組，冷卻介質(zhì)通過繞組內(nèi)部帶走熱量。
4、其他方式。一些特種電機(jī)及特殊工作環(huán)境的電機(jī)也有采用氟利昂相變冷卻等其他散熱方式。
二、風(fēng)冷電機(jī)的基本通風(fēng)結(jié)構(gòu)
風(fēng)冷電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)路結(jié)構(gòu)也分為軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)、徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)以及軸徑向混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)。軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)一般在定、轉(zhuǎn)子開設(shè)軸向通風(fēng)道，冷卻風(fēng)從電機(jī)一端進(jìn)入，通過軸向通風(fēng)道從另一端流出。但是這樣會(huì)導(dǎo)致軸向方向溫度分布不均勻，出口端溫度較高。徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)則是利用分段式定轉(zhuǎn)子鐵芯段之間的間隔作為徑向通風(fēng)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(duì)均勻。軸徑向混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)則是綜合了兩種通風(fēng)結(jié)構(gòu)，包含了軸向通風(fēng)和徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的所有特點(diǎn)。
三、風(fēng)冷電機(jī)Fluent仿真流程
以一臺(tái)自建徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)電機(jī)模型為例，介紹風(fēng)冷電機(jī)流場及溫度場的仿真流程。計(jì)算流程如下：
1、SpaceClaim進(jìn)行模型前處理，抽取內(nèi)流場
利用前處理軟件SpaceClaim對(duì)原始模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，并對(duì)原模型進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)域及靜域，并對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)域及靜域進(jìn)行共享拓?fù)洹?/p>
2、FluentMeshing構(gòu)建流體域共節(jié)點(diǎn)周期性網(wǎng)格
將第1步處理好的模型復(fù)制一份，將其中的固體區(qū)域刪除，保留處理好的流體區(qū)域。將處理好的流體域模型導(dǎo)入到FluentMeshing中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在處理好面網(wǎng)格質(zhì)量以及對(duì)邊界進(jìn)行命名后，需要用Recover Periodic命令建立周期性網(wǎng)格映射。最后通過Auto Mesh命令生成多面體網(wǎng)格。
3、電機(jī)風(fēng)阻特性計(jì)算與風(fēng)扇工作點(diǎn)求解
風(fēng)扇在工作時(shí)，由于電機(jī)內(nèi)部存在阻力，風(fēng)扇的風(fēng)量達(dá)不到最大風(fēng)量。因此需要先對(duì)電機(jī)的風(fēng)阻特性進(jìn)行求解，求解出電機(jī)阻力與入口風(fēng)量的關(guān)系曲線，再與風(fēng)扇P-Q曲線求交點(diǎn)，得到風(fēng)扇在電機(jī)額定工況運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量。對(duì)于電機(jī)風(fēng)阻特性的求解，只需要在Fluent中設(shè)置一系列不同的入口風(fēng)量，再將其對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓差求出來，則得到電機(jī)的風(fēng)阻特性曲線。
4、溫度場計(jì)算模型前處理
將第1步保存的模型導(dǎo)入SpaceClaim中，繼續(xù)對(duì)固體部件進(jìn)行處理。將定、轉(zhuǎn)子繞組在槽內(nèi)及槽外的面分割開來。再利用群組命令進(jìn)行命名，方便后續(xù)在Fluent中設(shè)置繞組自身的絕緣層熱阻。將所有零部件進(jìn)行重命名后，再將相關(guān)邊界進(jìn)行命名，最后對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行共享拓?fù)洌奖闵晒补?jié)點(diǎn)網(wǎng)格。
5、溫度場FluentMeshing共節(jié)點(diǎn)周期性網(wǎng)格劃分
對(duì)于電機(jī)這種多部件的模型，如果用對(duì)各部件分開劃分網(wǎng)格，再用Interface對(duì)交界面進(jìn)行匹配計(jì)算的話，雖然可以一定程度減少網(wǎng)格量，但是操作比較繁雜。目前計(jì)算機(jī)性能都比較強(qiáng)大，建議多部件的共軛換熱問題都采用共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格。電機(jī)的網(wǎng)格生成的難點(diǎn)在于絕緣層的處理。一般電機(jī)絕緣層很薄，但是軸向長度較長，是細(xì)長型的薄壁。如果網(wǎng)格尺寸過于稀疏，則長寬比可能很大，導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量不行。一種方法是在FluentMeshing中通過設(shè)置Proximity尺寸函數(shù)，設(shè)置小間隙中的網(wǎng)格層數(shù)，保證絕緣層厚度方向有2層網(wǎng)格，但是這樣網(wǎng)格規(guī)?？赡軙?huì)比較大。另一種方法則是不對(duì)絕緣層進(jìn)行實(shí)體建模，而是在Fluent中通過設(shè)置壁面熱阻來模擬絕緣層的作用。
6、溫度場在Fluent中求解設(shè)置及后處理
電機(jī)在Fluent中的設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)域MRF設(shè)置；定義各固體部件的材料及熱源參數(shù)；定義正確的邊界條件及參數(shù)；選擇合適的算法；定義關(guān)鍵物理量的Report監(jiān)控；最后進(jìn)行初始化求解。求解結(jié)束后再利用Fluent自帶后處理功能，對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。
這樣，風(fēng)冷電機(jī)一個(gè)完整的仿真流程便走完了。如果在設(shè)計(jì)初期，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行流場及溫度場分析，可以提出相關(guān)優(yōu)化建議，降低電機(jī)運(yùn)行溫升，提高電機(jī)穩(wěn)定性及使用壽命，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有重大實(shí)際意義。
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