永磁电机自然散热流场与温度场仿真计算实例详解（附模型）

首发 | 仿真秀APP

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——电机流热，从事电机结构设计及仿真工作多年，熟练使用SpaceClaim、FluentMeshing及Fluent，能够提供电机冷却从建模到计算后处理全流程服务。2020年7月，我首次在仿真秀官网和APP独家创作视频课程《基于Fluent电机散热流场温度场分析进阶10讲》，赢得了用户好评，播放超过30000+次。

时隔4年，根据订阅用户群 交流，以及我这几年积累，我对该课程进行加餐内容，主要包括：风扇边界应用、风摩损耗计算、电机自然散热-前处理及网格划分和电机自然散热-计算设置及后处理等内容，后续还可以根据用户的需求定制内容。本文分享一个电机自然散热仿真计算实例，本文的模型收录到了仿真秀最全资料包，欢迎大家去下载。在文章末尾点赞和在看，且分享到朋友圈，截图发到本公众 号，我会在24小时内私发给你。

一、写在文前

电机在运行时，电机本身发热与冷却介质带走的热量达到平衡状态时，电机的温度不再上升，电机温升达到稳定。电机的温升对电机的寿命具有重要影响，如果电机的温升超过绝缘材料的耐热等级，绝缘材料的寿命会急剧缩短，甚至会烧毁。因此对电机温升的研究极为重要，而利用商业软件对电机进行热分析则是一种经济快速的方法，不仅可以对电机温升进行预测，而且能够通过计算结果进行优化分析，加快产品研发进度。

电机的散热方式主要可以分两种，一种是自然散热，另一种则是利用冷却介质进行强迫冷却。自然散热是电机最传统的散热方式，通过空气的密度差产生对流以及与环境进行辐射进行散热，具有成本低、寿命长等优势。但是由于自然散热的换热系数较低，只适用于一些功率较小的电机。对于一些功率较大的电机，就必须使用强迫冷却方式，根据冷却介质不同也可以分为风冷及液冷等。关于电机的风冷及液冷在前面的课程也分享了相关的计算方法，本文主要针对自然散热的电机温升计算进行分享。

关于计算电机自然散热也有两种方式，一种是直接赋予电机机壳一个经验自然散热系数，一般取5~15W/m2·K；另一种是构建电机外部流场，计算空气自然对流及辐射对电机的散热作用。直接赋予经验散热系数的方法相对简单，但是由于其外表面每处的散热系数相同，电机内部的温度分布会与实际有出入。而构建外部流场计算自然对流相对计算量更大，但其温度分布更加真实。由于赋予经验散热系数计算相对简单，因此本文针对构建外部流场计算电机温升进行分享。

二、电机自然散热计算案例

1、模型准备

首先利用三维建模软件建立电机的三维计算模型，建立的仿真计算模型与实际三维模型相比有几点不同。首先仿真模型可以将实际不参与换热、不影响换热的部件进行简化或删除；其次仿真模型必须是没有狭缝，处处贴合的“干净”模型；最后是绕组等关键部件的简化及等效。图1为本演示案例的电机三维仿真计算模型，

图1 电机三维仿真模型

2、前处理

准备好的“干净”模型仍然需要对其进行处理，抽取电机内部流场及电机外流场。将电机模型导入到SpaceClaim中后，第一步先抽取内流体域，利用体积抽取命令，选中内部的一个矢量面进行抽取，如图2所示。第二步构建外流体域，利用外壳命令构建外流体域。构建外流体域时，四周间距为L（特征长度），上部保证2L，底面为安装面。

图2 抽取内流体域

图3 构建外流体域

图4为处理好的模型，由于转子高速旋转，因此还要将电机内流体域分割为静止域及转动域。并对整个计算模型进行共享拓扑，方便后续划分共节点网格。

图4 计算模型

3、网格划分

利用fluent自带的网格模式fluentmeshing对电机模型进行多面体网格划分。首先导入几何模型，并对初始面网格赋予合适的网格尺寸及尺寸函数，如图5所示。

图5 几何模型导入

由于电机气隙以及电机绝缘的尺寸较小，因此在几何模型导入后还需添加合适的局部尺寸函数加密网格，再进行面网格重构，得到满足要求的面网格质量。对添加完的尺寸函数进行Compute，然后对面网格进行Remesh Faces。面网格重构后需要检查面网格质量是否满足要求，若是不满足还需要对面网格进行诊断，找出扭曲度大的面网格进行优化。

图6 添加合适的尺寸函数

当面网格优化好后，再把相关边界类型定义好。下一步生成Volumetric Regions，将流体域与固体域定义好就能生成体网格了。生成体网格后需要检查网格质量，对反向正交比大于0.8的网格需要进行节点移动，使其网格质量小于0.8。得到满足网格质量要求的体网格就可以进入Solution模式进行设置求解了。

图7 提升体网格质量

图8 体网格截面图

4、求解设置

进入求解模式后，按照左侧结构树从上到下进行逐步设置。

1）进行网格缩放、检查及单位等设置

将网格缩放检查后，将转速单位设置为rpm，将温度单位设置为℃。

2）定义物理模型

将能量方程开启；湍流模型选择Realizable k-e模型，开启粘性热选项；自然散热中，辐射散热量不能忽略，需要开启辐射模型，选择DO模型。

3）添加材料

将计算所需的流体及固体材料属性定义好，具体材料参数见表1。空气密度修改为不可压理想气体。

4）定义Cell Zone Conditions

设置流体域及固体域的材料及热源，以及转动域的转速设置。将旋转域采用Frame Motion，设置转速为3000rpm。其余固体材料属性按表1设置，具体热源损耗如表2所示。

5）定义Boundary Conditions

设置出口为压力出口边界，环境温度为45℃；设置绕组端部绝缘厚度为0.2mm；参与辐射表面发射率默认为1（可根据实际表面发射率设置）。

操作条件设置：设置重力加速度沿-Y方向，数值为9.81m/s^2；操作密度取初始化后读取的外部空气平均密度。

6）设置算法及监控参数

压力-速度耦合选用Coupled算法，定义定子绕组及转子磁钢最高温度的监控曲线。

7）初始化及求解

初始化使用Standard Initialization进行初始化，给定初始y速度为0.01m/s，全局初始温度为45℃。自然散热的收敛较慢，因此需要适当增加迭代步数。

8）初始化后设置2000步迭代步数进行计算。

5、后处理

经过2000步的迭代后，电机定子绕组及转子磁钢的温度达到稳定。

图9 定子绕组最高温度监控

图10 转子磁钢最高温度监控

图11为电机外流场速度分布云图

图12为电机内流场速度分布云图。

以下各图为电机主要部件温度分布云图。

三、电机散热流场温度场仿真硬核技术

本文以一台自然散热的永磁电机为例，介绍了计算电机自然散热从模型准备、前处理、网格划分、计算设置到后处理的完整流程。其中不仅包含了SpaceClaim、Fluentmeshing及Fluent的基本操作，还包含了一些多年积累的使用技巧。

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