Flotherm XT与Ansys的完美协作-揭秘电机热固耦合仿真

导读：在电机的设计与优化过程中，热固耦合仿真起着举足轻重的作用。电机运行时会产生大量热量，若不能及时有效地散热，过高的温度不仅会导致电机性能下降，还可能缩短其使用寿命，甚至引发安全问题 。同时，热应力和变形也会对电机的结构稳定性和可靠性产生影响。因此，通过热固耦合仿真深入分析电机的热特性和结构响应，对于提高电机性能、优化设计以及确保其安全可靠运行具有重要意义。推荐读者关注《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》。

一、Flotherm XT 与ANSYS仿真

Flotherm XT 作为一款专业的电子散热仿真软件，在电机热分析方面具备显著优势。它能覆盖从元件级、板级、系统级到环境级的全尺度热仿真分析 。其采用的 SmartCells 网格技术，是笛卡尔自动网格技术的一种创新应用。这种网格可穿越流固交界面，允许一个网格内同时存在流体域和固体域 。这就极大降低了模型流固边界复杂程度对网格质量和划分难度的影响，使工程师能够轻松完成外形复杂部件（如异型散热翅片）的网格划分，从而更精确地模拟电机内部的热传递过程。

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另外，Flotherm XT 还内嵌 SmartPart 智能零部件库，对于常用的典型元件，工程师可以通过参数化的方式定义和修改几何结构，方便快捷地建立模型，节省建模时间。该软件还具备强大的 Parametric Study 参数优化功能，不仅能对仿真特性参数（如边界条件、环境条件、材料属性等）进行优化，还能针对模型的几何参数（如外形尺寸、摆放位置等）进行优化 。这有助于工程师对重要参数或不确定参数进行敏感性分析，从而选择最佳方案，实现电机散热性能的优化。

Flotherm XT 课程大纲

Ansys 则是一个功能全面的多物理场仿真平台，在电机热固耦合仿真中，其多物理场耦合能力表现出色。它能在一个统一的环境下，模拟和分析电磁场、热场、机械场等多种物理场之间的复杂相互作用 。以电机为例，Ansys 可以精确模拟电机运行时电磁力产生的热量对结构的影响，以及结构变形对电磁性能的反作用，实现真正意义上的多物理场双向耦合分析 。这种全面而深入的分析能力，使得工程师能够获得更真实、全面的电机性能评估，为电机的优化设计提供有力依据。

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此外，Ansys 拥有丰富的物理模型库和求解器，能够处理各种复杂的工程问题。在热分析方面，它提供了强大的热模拟能力，可准确评估电机在各种热环境下的性能，无论是导热、对流还是辐射传热，都能给出精确的分析结果 。在结构分析中，Ansys Mechanical 模块可以模拟电机部件在热应力和其他载荷作用下的应力、应变、模态、动力学响应等，帮助工程师全面了解电机的结构力学性能，确保电机结构的可靠性和稳定性。

二、电机热固耦合仿真原理剖析

热固耦合仿真，是一种将热分析与结构分析相结合的多物理场仿真技术 ，旨在研究温度场与固体结构场之间的相互作用和影响。在电机运行过程中，这两个物理场紧密关联、相互影响。

从原理上来说，电机工作时，电流通过绕组会产生焦耳热，铁芯在交变磁场作用下也会产生铁损，这些损耗都会转化为热量，导致电机内部温度升高 。而温度的变化会引起电机各部件材料的热膨胀或收缩。由于电机内部不同部件的材料、结构以及散热条件存在差异，这种热膨胀或收缩并不均匀，从而在部件内部产生热应力和变形。

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例如，电机的定子和转子通常由不同材料制成，其热膨胀系数也各不相同。当电机运行发热时，定子和转子的膨胀程度不一致，这就会在两者之间产生热应力，可能导致部件的变形、松动，甚至影响电机的正常运行。此外，热变形还可能改变电机内部的气隙大小和形状，进而影响电机的电磁性能，导致电磁力的变化，而电磁力的改变又会反过来影响电机的结构受力和热分布，形成一个复杂的多物理场耦合循环。

在电机仿真中考虑热固耦合具有至关重要的必要性。电机作为各类设备的关键动力源，其性能和可靠性直接影响整个系统的运行。过高的温度和热应力不仅会导致电机材料的性能下降，如绝缘材料老化、机械强度降低等，还可能引发电机故障，缩短电机的使用寿命，增加维护成本。通过热固耦合仿真，工程师可以在设计阶段准确预测电机在各种工况下的温度分布、热应力和变形情况 ，提前发现潜在的设计缺陷和问题，从而有针对性地优化电机结构、材料选择和散热方案 。这不仅能有效提高电机的性能和可靠性，降低研发成本和风险，还能为电机的高效、安全运行提供有力保障 。

三、Flotherm XT与Ansys电机热仿真步骤

Flotherm XT 与 Ansys 在电机热固耦合仿真中的具体操作流程，从 Flotherm XT 的电机热仿真，包括几何模型准备、参数配置、损耗设置、风扇区域设置、网格划分与求解，到将温度场数据导入 Ansys 进行热固耦合分析，涵盖了模型约束、网格处理以及热变形和热应力的求解计算 。通过实际案例的分析，我们直观地看到了电机在热固耦合作用下的温度分布、热应力和变形情况，并且验证了仿真结果的准确性 。

1、几何模型准备

电机的几何模型是热仿真的基础，其准确性和完整性直接影响仿真结果的可靠性 。获取电机几何模型通常有两种途径：一是直接从电机设计的 CAD 软件中导出，如 SolidWorks、AutoCAD 等，这些软件能够精确地创建电机的三维模型，包含电机的定子、转子、绕组、外壳等各个部件的详细几何信息；二是对于一些结构相对简单的电机，也可以在 Flotherm XT 软件中直接创建几何模型 。

在将几何模型导入到 Flotherm XT 之前，需要进行一些必要的处理。首先，要对模型进行简化，去除一些对热分析影响较小的细节特征，如一些微小的倒角、圆角、安装孔等 。这些细节虽然在机械结构上可能有其作用，但在热仿真中会增加网格划分的难度和计算量，且对温度分布的影响微乎其微。例如，对于电机外壳上一些较小的安装孔，在热仿真中可以忽略不计，这样既可以减少模型的复杂度，又能提高仿真效率。其次，要检查模型的完整性，确保没有缺失的部件或缝隙。任何模型的缺陷都可能导致网格划分失败或仿真结果出现偏差。比如，若电机绕组模型存在缝隙，可能会使热量传递路径出现异常，从而得到不准确的温度分布结果。

Flotherm XT采用Solidworks作为前处理，在电机的热仿真中具有很大优势，主要是操作简单，使仿真人员能聚焦于产品设计，而不是花很多时间在做仿真。 

Flotherm XT采用Solidworks作为前处理

应用 Flotherm XT 进行电机温升的热模拟，几何模型处理包含机座，端盖，定子铁芯，绕组，风扇及旋转区域 MFR。

 Flotherm XT 进行电机温升的热模拟

2、设置向导与参数配置

Flotherm XT 提供了方便的设置向导，引导用户快速完成基本的仿真设置 。在启动设置向导后，用户需要根据电机的实际情况进行参数配置。

材料设置是其中的关键环节，不同的材料具有不同的热物理属性，如导热系数、比热容、密度等，这些属性直接影响电机内部的热传递过程 。对于电机的定子铁芯，通常采用硅钢材料，其导热系数相对较高，能够较好地传导热量；而绕组一般采用铜材，铜具有良好的导电性和较高的导热系数，这对于散发绕组产生的焦耳热非常重要 。在软件中，用户可以从材料库中选择相应的材料，并根据实际情况进行参数微调，以确保材料属性的准确性。

流体域设置也不容忽视，电机内部的空气或冷却介质作为流体，在热量传递过程中起到关键作用 。需要定义流体的类型（如空气、水等）、密度、粘度、比热容等参数 。例如，对于自然对流冷却的电机，空气作为冷却介质，其密度和粘度会随着温度的变化而改变，因此需要准确设置这些参数与温度的关系，以更真实地模拟热传递过程。同时，还需确定流体域的范围和边界条件，确保流体能够充分覆盖电机的发热部件，并合理设置进出口条件，如速度、温度等，以模拟实际的散热环境。

3、损耗与轴承温度设置

电机在运行过程中会产生多种损耗，主要包括绕组铜损、铁芯铁损以及机械损耗等，这些损耗是电机发热的主要来源 。准确确定电机的损耗源并进行合理设置是热仿真的关键步骤。

绕组铜损可以根据电机的电流、绕组电阻以及绕组匝数等参数进行计算。例如，根据焦耳定律，铜损，其中I为绕组电流，R为绕组电阻 。在 Flotherm XT 中，可以通过设置功率源的方式将计算得到的铜损添加到绕组部件上。铁芯铁损则与铁芯材料的特性、磁场强度、频率等因素有关，一般可以通过铁芯材料供应商提供的损耗曲线或经验公式来计算 。机械损耗主要包括轴承摩擦损耗和风扇损耗等，对于轴承摩擦损耗，可以根据轴承的类型、负载、转速等参数估算；风扇损耗则与风扇的性能曲线、工作转速等相关 。在软件中，分别将这些损耗设置到对应的部件上，以模拟电机实际的发热情况。

轴承温度的设置对于准确模拟电机的热特性也具有重要意义。轴承在电机运行过程中会因摩擦而发热，过高的温度可能导致轴承损坏，影响电机的正常运行 。在设置轴承温度时，可以参考轴承制造商提供的技术资料，了解轴承在不同工况下的允许工作温度范围，并结合电机的实际运行条件，合理设置轴承的初始温度和边界条件 。同时，还可以考虑将轴承的热阻和热容等参数纳入仿真模型，以更精确地模拟轴承的热行为。

4、风扇旋转区域设置

如果电机配备了风扇进行强制风冷散热，准确设置风扇旋转区域及其相关参数至关重要 。风扇旋转区域的定义直接影响电机内部流场的分布，进而影响热量的传递和温度分布 。

在 Flotherm XT 中，可以通过创建旋转区域来定义风扇的作用范围。首先，需要确定风扇的几何形状和尺寸，包括扇叶的直径、宽度、叶片数量等 。然后，设置风扇的旋转速度、流量曲线等参数 。例如，对于轴流风扇，其流量与转速通常呈线性关系，可以根据风扇的性能曲线准确设置不同转速下的流量 。此外，还需考虑风扇进出口的边界条件，如进口的静压、出口的背压等 。合理设置这些参数，能够更真实地模拟风扇对电机内部气流的驱动作用，使仿真结果更符合实际情况。风扇旋转区域设置不当可能导致流场模拟不准确，如出现气流短路、局部过热等问题，从而影响整个电机热仿真的准确性。

5、网格划分与求解设置

网格划分是将电机的几何模型离散化为有限个小单元的过程，网格的质量和密度对仿真结果的精度和计算效率有重要影响 。在 Flotherm XT 中，一般遵循以下原则进行网格划分：对于几何形状复杂、温度梯度较大的区域，如绕组、铁芯等发热部件，应采用较细的网格，以提高计算精度；而对于一些对温度分布影响较小的区域，如电机外壳的非关键部位，可以采用较粗的网格，以减少计算量 。例如，在绕组区域，由于电流密度较大，热量集中，温度梯度明显，需要加密网格，确保能够准确捕捉温度变化；而对于电机外壳的大面积平板部分，网格可以适当稀疏一些 。

在设置求解参数时，需要根据电机的实际工况和仿真需求进行选择 。例如，对于稳态热分析，需要设置合适的收敛标准，一般可将能量残差收敛标准设置为10^4或更低，以确保计算结果的准确性 。同时，还需设置迭代次数、时间步长（对于瞬态分析）等参数 。迭代次数决定了求解器在达到收敛标准之前进行计算的次数，合理设置迭代次数可以避免计算时间过长或计算不收敛的问题 。时间步长则影响瞬态分析中时间的离散化程度，过小的时间步长会增加计算量，过大的时间步长可能导致结果不准确，需要根据具体情况进行权衡和调整 。

6、后处理与温度场导出

完成仿真计算后，通过后处理功能可以直观地观察和分析电机的温度分布、流场分布等结果 。Flotherm XT 提供了丰富的后处理工具，如温度云图、矢量图、切片图等 。利用温度云图，可以清晰地看到电机各个部件的温度分布情况，快速定位高温区域和低温区域，从而评估电机的散热性能 。矢量图则可以展示电机内部流场的速度和方向，帮助分析气流的流动路径和散热效果 。切片图可以在特定平面上显示温度和流场信息，方便对电机内部特定区域进行详细分析 。

此外，为了进行后续的 Ansys 热固耦合分析，需要将 Flotherm XT 中得到的温度场数据导出 。在软件中，可以选择将温度场数据以特定的文件格式（如 CSV、PLT 等）导出 。导出的数据包含了电机各个网格节点的温度信息，这些数据将作为 Ansys 热分析的边界条件，用于进一步的热固耦合计算 。在导出温度场数据时，要确保数据的准确性和完整性，避免数据丢失或错误，以保证后续 Ansys 分析的可靠性 。

7、Ansys 电机热固耦合仿真流程

Ansys Workbench 进行热固耦合分析，通过Workbench平台传递数据，Ansys通过“外部数据” 导入温度场。 

Ansys计算热变形和热应力：

四、驱动电机热固耦合仿真公开课

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，仿真秀优秀讲师工做《驱动电机热固耦合仿真关键技术及应用》线上讲座，使用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，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

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来源：仿真秀App