CFD仿真技术在电机冷却设计中的应用

1、 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CFDThe Application of CFD Simulation Technology in theMotor Cooling DesignZheng Guoli, FENGFan

2、CSR Zhuzhou Electric Co., Ltd, 412000Abstract 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 ventilati

3、on simulationanalysis. 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 thedesign. Finally, explained the significance of the test data on improvement of the simulationmethod.Keyw

4、ord motor, cooling design, simulation analysis, CFD1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

5、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

6、。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

7、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。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

8、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。 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

9、实的损耗分布,减少计算误差。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

10、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