人形机器人井喷式增长！驱动电机热固耦合仿真应用这样做

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：据报道，我国已成为全球领先的人形机器人生产国。数据显示，2024年中国人形机器人市场规模达到约27.6亿元，并有望在2030年成长为千亿元市场。全球市场也显示出强劲的增长动力，到2035年人形机器人市场规模有望达到1540亿美元。

在人形机器人市场规模呈现井喷式增长的当下，驱动电机作为机器人的核心 “心脏”，其性能的优劣直接决定了机器人的整体效能。而在电机运行过程中，热固耦合现象普遍存在，极大地影响着电机的稳定性、可靠性以及使用寿命。因此，开展驱动电机热固耦合仿真研究，对推动人形机器人产业高质量发展有着极为重要的意义。

一、什么是热固耦合仿真

热固耦合仿真旨在通过多物理场耦合算法，模拟电机在运行过程中的温度场分布以及因温度变化引发的结构应力和变形。电机在工作时，电流通过绕组会产生焦耳热，同时，电机内部的机械摩擦也会生热。这些热量若不能及时散发，将导致电机温度持续升高，进而引发电机部件的热膨胀。不同部件的热膨胀系数存在差异，这就会在电机内部产生复杂的热应力，可能致使绕组绝缘层破裂、轴承磨损加剧，甚至引发电机故障。借助热固耦合仿真，研究人员能够直观了解电机内部的温度分布和应力变化，提前预测电机在各种工况下的性能表现。

从仿真模型构建来看，准确的建模是热固耦合仿真的关键。电机的复杂结构和材料特性，要求研究人员在建模时，精确考虑电机的各个组成部分，如定子、转子、绕组、铁芯等。同时，需采用合适的物理模型和数学算法，模拟电机内部的电磁、热传导和机械结构的相互作用。比如，在电磁计算方面，运用有限元方法求解麦克斯韦方程组，确定电机内部的电磁场分布；在热传导计算中，考虑电机内部的对流、辐射和热传导等多种传热方式；在结构力学计算时，结合材料的热膨胀特性和力学性能，分析热应力和变形。

4月3日20时，我将在仿真秀主办的工程师职场仿真线上报告会做《驱动电机热固耦合仿真关键技术及应用》公开课，介绍如何使用ANSYS和Flotherm XT软件，进行电机热固耦合仿真计算热变形和热应力。

二、热固耦合仿真场景及价值

随着人工智能和大数据技术的发展，热固耦合仿真也迎来了新的机遇。借助机器学习算法，研究人员可以对大量的仿真数据进行分析，建立电机性能预测模型，实现对电机热固耦合特性的快速预测和优化。此外，通过将仿真数据与实际运行数据相结合，能够进一步验证和改进仿真模型，提高仿真的准确性和可靠性。当前，驱动电机热固耦合仿真主要的应用场景及价值包括：

1、电动汽车领域

在电动汽车驱动电机的研发过程中，热固耦合仿真可用于优化电机的结构设计。通过模拟电机在不同工况下的温度分布和应力变化，工程师可以确定最佳的散热方案、绕组布局以及材料选择，以提高电机的效率和可靠性。例如，通过仿真可以分析不同冷却通道设计对电机温度场的影响，从而设计出更有效的冷却系统，确保电机在高负荷运行时也能保持在合适的温度范围内。

热固耦合仿真有助于将驱动电机与电池热管理系统进行有效集成。由于电动汽车的电池和电机在运行过程中都会产生热量，且它们的工作温度对性能和寿命有重要影响，通过仿真可以优化整个热管理系统的设计，实现能量的高效利用和部件的协同工作。例如，合理设计冷却管道的布局和流向，使冷却液能够在电机和电池之间合理分配，确保两者都能在适宜的温度下运行，提高整个动力系统的性能和稳定性。

2、工业自动化领域

在一些工业生产设备中，如大型数控机床、自动化生产线的驱动电机等，往往需要在高负荷、长时间运行的情况下保持稳定的性能。热固耦合仿真可以帮助工程师预测电机在这种苛刻条件下的热变形和应力分布，提前发现潜在的问题，如电机绕组的过热、轴承的磨损等，从而采取相应的措施进行优化和改进，提高设备的可靠性和生产效率。

在工业自动化设备中，驱动电机通常与各种机械部件紧密配合工作。热固耦合仿真可以考虑电机运行时的热效应和机械应力对整个系统的影响，实现电机与机械部件的协同设计。例如，在设计机器人关节驱动电机时，通过仿真分析电机发热对关节结构的热影响，以及关节运动时产生的振动和冲击对电机的力学作用，从而优化电机和关节的结构参数，提高机器人的运动精度和稳定性。

「VLAI未来动力」发布了新一代具身智能一体化关节电机型号，其中B4的峰值扭矩为120Nm、扭矩密度85Nm/Kg，B3的峰值扭矩为36Nm、扭矩密度65Nm/Kg，这两款电机均搭载了多重保护机制和宽电压工作模式，支持模块化扩展。

根据笔者10+年在国际电机头部企业从事电机相关仿真经验，热固耦合仿真在驱动电机研发中具有显著价值。主要包括在产品性能层面，于设计阶段优化电机热性能与结构强度，规避过热及应力集中引发的系列问题，提升电机整体性能、可靠性并延长使用寿命；在研发成本上，其借助虚拟环境快速评估、优化设计方案，减少物理实验频次，提前化解潜在问题，避免后期大规模返工，降低研发成本；在研发周期方面，能迅速反馈设计方案成效，助力工程师及时调整参数，相较于传统试错法，大幅缩短研发周期，助力产品快速上市，增强企业竞争力。

三、热固耦合仿真技术有哪些

电机热固耦合仿真涉及到多个关键技术，这些技术相互配合，以实现对电机热 - 结构行为的准确模拟和分析。以下是一些主要的关键技术：

1、多物理场耦合建模技术

电机运行时同时存在热传递、电磁、结构变形等多种物理场，热固耦合仿真关键在于建立能够准确描述这些物理场之间相互作用的数学模型。例如，通过电磁计算得到电机的损耗分布，将其作为热分析的热源，再把热分析得到的温度场作为结构分析的载荷，计算出热应力和变形，实现多物理场之间的耦合。

2、高精度的材料属性表征技术

电机由多种不同材料组成，如铁芯材料、绕组材料、绝缘材料等。这些材料的热物理性能（如热导率、比热容、热膨胀系数）和力学性能（如弹性模量、泊松比）对仿真结果有重要影响。需要准确测量和表征这些材料在不同温度和工况下的属性，以提高仿真的精度。

3、高效的网格划分技术

为了获得准确的仿真结果，需要对电机模型进行合理的网格划分。在温度和应力变化较大的区域（如绕组端部、铁芯齿部等），需要加密网格以捕捉细微的变化。同时，为了控制计算成本，在其他区域可以采用较粗的网格。此外，还需要考虑不同物理场对网格的要求，采用合适的网格类型和划分方法，以实现计算精度和效率的平衡。

4、求解算法与计算技术

热固耦合仿真涉及到复杂的偏微分方程求解，需要高效的求解算法和计算技术。例如，对于热分析中的热传导方程和结构分析中的力学平衡方程，采用合适的数值解法（如有限元法、有限差分法等）进行求解。同时，为了处理大规模的计算问题，还需要运用并行计算技术，提高计算效率，缩短计算时间。

5、边界条件和载荷施加技术

准确设定边界条件和载荷是保证仿真结果真实性的关键。在热分析中，需要考虑电机的散热方式（如自然对流、强制对流、辐射等），合理设置散热边界条件；在结构分析中，要考虑电机的安装方式、运行时的振动和冲击等因素，施加正确的约束和载荷。此外，还需要考虑不同物理场之间的耦合边界条件，如热 - 结构耦合中的热应力边界条件等。

6、实验验证与模型校准技术

通过实验测量电机的温度、应力、变形等参数，与仿真结果进行对比分析，验证仿真模型的准确性。如果发现仿真结果与实验数据存在偏差，需要对模型进行校准和修正，调整模型中的参数和假设，以提高模型的精度和可靠性。这一过程通常需要反复进行，直到仿真结果与实验数据达到较好的吻合。

四、Flotherm XT 与Ansys热固耦合仿真应用

4月3日20时，由仿真秀主办的工程师职场仿真应用技术报告会第五期，笔者受邀做《驱动电机热固耦合仿真关键技术及应用》，我将应用 Flotherm XT 进行电机温升的热模拟，包含机座，端盖，定子铁芯，绕组，风扇及旋转区域 MFR。讲解了风扇强制对流通风散热CAE分析的基本过程及注意点。讲述了几何模型准备，设置向导，材料设置，流体域设置，损耗与轴承温度设置，旋转区域设置，网格，求解设置，导出温度场，后处理等。

最后应用 Ansys Workbench 进行热固耦合分析。讲述了热固耦合，通过Workbench平台传递数据；Ansys通过“外部数据” 导入温度场；计算热变形和热应力等。以下是直播安排，欢迎报名，支持反复回看。

工程师职场仿真（五）：驱动电机热固耦合仿真关键技术及应用-仿真秀直播