永磁同步电机绕组、铁芯及Fluent中各项异性材料的设置方法

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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——BB学长，一位仿真爱好者，现从事旋转机械、流场仿真和热仿真。近日，我的原创视频课程《Fluent液冷（水冷）电机热设计仿真项目实战7讲》在仿真秀上架了，欢迎读者朋友点击文尾阅读原文试看。本文介绍电机中的绕组跟铁芯以及fluent中各项异性材料的设置方法，希望对学习者有所帮助。在正式介绍前，我们先来看几个名字概念。

各向同性(isotropic)：材料的物性不会随着方向的不同而有所变化，即某材料在不同的方向所测得的性能参数完全相同，也称为均质性。
各向异性(anisotropic)：材料的物性随着方向的改变而有所变化，在不同方向上呈现出差异的性质。
正交各向异性(orthotropic) ：材料的属性在三个相互垂直的基准轴上都是单值的目独立的。

一、电机中绕组

永磁同步电机中，定子绕组是产热大头，因此定子绕组绝缘系统的传热特性是控制电机热点温度的主要瓶颈。

永磁同步电机中绕组的绝缘系统般包括扁铜线漆膜、绝缘纸、浸渍漆。绕组端部焊接位置采用绝缘材料包封、涂覆等工艺确保绝缘可靠性。此外，由于浸渍漆无法完全填充满定子槽，槽内间隙存在少量空气层，由于空气的导热性能较差，对定子绕组绝缘系统的导热能力有较明显的影响。

在电机热分析过程中，很难建立真实的分析模型，需要进行简化处理。通常可将定子绕组绝缘系统简化为一体化等效传热层，通过等效导热系数综合模拟定子槽内绝缘系统的导热能力。等效传热由于各个方向材料组成存在差异，因此其导热系数在不同方向也会有明显的区别。目前常用的方法是使用经验系数修正或由样机的温度测试反向推算导热系数。

二、电机中铁芯

铁芯作为电机的核心部件，其质量好坏直接决定电机的各项性能和品质。铁芯则由定子和转子组合，其中定子由定子铁芯、定子绕组和机座等部分组成，主要作用为产生旋转磁场；转子由转子铁芯、转子绕组、转轴等部分组成，主要作用为感应电动势和传递转矩，从而输出机械功率。

制作铁芯方法是用一般普通模具冲制出定、转子冲片(散片),经过齐片，再用铆钉铆接、扣片或氩弧焊等工艺过程制成铁芯。

由于铁芯是由铁芯冲片一片片叠压或卷绕形成，层跟层之间存在粘合剂，叠压系数的不同，也会导致铁芯在轴向方向的导热系数大打折扣，因此铁芯在电机热仿真中也属于典型的各项异性材料。接下来我们来讲一讲，fluent如何设置各向异性导热系数。

三、Fluent如何设置各向异性导热系数

各向异性导热系数在Fluent中，固体或壳体导热系数的各向异性被定义为矩阵，热流密度的计算公式为：

其中

就是导热系数矩阵。

在Fluent中，有以下几种方式用于定义各向异性导热系数。

anisotropic（各向异性）
biaxial（双轴，只对壳体有效）
orthotropic（正交各向异性）
cylindrical orthotropic
principal axes and principal values
user-defined anisotropic 注意：（1）各向异性的设置只能在压力基求解器基础上设置，密度基求解器则无法使用；（2）使用各向异性设置，固体材料属性在后处理中会显示为0。

1、Anisotropic

对于各向异性的导热系数，导热系数矩阵被定义为：

其中k为导热系数，

为矩阵，二维中为2×2矩阵，三维中为3×3矩阵，该矩阵也可以是非对称矩阵。

（1）如果各向异性材料的主轴未与模拟的全局坐标系对齐，则使用以下选项之一可能简单：

如果材料的主轴是正交的，则可以选用orthotropic；
如果材料的主轴非正交，则可以选用principal axes and principal values；
如果对未对齐的轴使用Anisotropic选项，则需要将导热系数矩阵转换为与全局坐标系对称的矩阵。

（2）采用Anisotropic选项，需要满足矩阵的成分是常数且不独立变化，否则只能用UDF添加。

2、Orthotropic

应用Orthotropic选项时，需要定义主要方向

上的导热系数

，导热系数矩阵通过下式表示：

由于

相互垂直，因此在上图设置面板中，只需要设置两个方向。

通过xyz定义

来表示Direction 0 Components；

通过xyz定义

来表示Direction 1 Components；

Conductivity 0 1 2分别表示

异同

两种方式都是将导热系数转换为矩阵，Orthotropic属于Anisotropic的子类。

Anisotropic需要设置导热系数矩阵，Orthotropic需要设置主轴方向的导热系数。

当Anisotropic的导热系数矩阵为对角矩阵时，两类方法等同。

例子

定转子铁心由硅钢片叠压而成，因此沿着各个方向的导热系数不同，沿分层方向导热系数为42.5W/(m·K)，垂直分层方向为0.57W/(m·K)《电机设计》。

设置界面如下：

Conductivity 0,1,2分别代表X、Y、Z轴导热系数。X，Y轴的导热系数为42.5，Z轴导热系数为0.57。

四、Fluent液冷水冷电机热设计仿真

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