基于Fluent的无人机用无刷电机的流-热耦合分析
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无刷直流电机具有功率大,重量轻,功率密度高的优点,因此目前大量应用于消费级和工业级无人机行业。无人机行业大量使用的是外转子无刷电机,电机的主要发热部件在电机的内部,设计不合理的外转子结构设计会极大影响电机的散热,如果再要求外转子结构具备防水,防灰尘的功能,那么无刷电机的散热问题将会更加突出。无刷电机的散热受到电机自身的转动、电机发热功率、环境温度等多方面因素的影响,其散热性能的好坏直接关系到无刷电机的工作寿命和可靠性。
无刷电机的主要产热部件的热量除了与电机本体结构的热传导外,还包括了外转子转动时产生的强制对流换热。本文给大家简要演示一下用fluent进行无刷电机的流热耦合仿真的流程。利用流-热耦合计算,解决流动与结构的换热计算,通过该方法可以获得较为准确的结构表面的对流换热的情况,进而可以获取电机在某一转速稳定转动时的部件温度分布。同时利用获取的电机转子流场图改进电机外转子的设计。利用SolidWorks软件建立了电机型号模型,并进行周期切割处理,导入到SCDM进行了模型的预处理。下图是建立的模型和某型号电机实物模型的对比。
导入到SCDM里面进行计算域的创建,实体的命名,组的创建和拓扑操作,完成模型的前处理工作。处理完毕的模型保存为SCDOC的格式文件。下表罗列了无刷电机零部件的名称以及缩写、材料和发热功率情况。这些内容在fluent设置时要用到。缩写 | 名称 | 材料 | 发热功率W/M^3 |
TX | 铁芯 | 硅钢片 | 400000 |
ZZ | 转轴 | Steel |
|
KT | 壳体 | AL6061 |
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SG | 上盖 | AL6061 |
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XQ | 线圈 | Copper | 1500000 |
ZC | 轴承 | Steel |
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DZ | 底座 | AL6061 |
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LD | 铝垫 | Al |
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ZT | 轴套 | Steel |
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Out-air | 最外层空气 | Air |
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DYN-AIR | 动域 | Air |
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STA-AIR | 静域 | air |
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CG | 磁钢 | Steel | 400000 |
我们采用Fluent Meshing进行网格划分,FM作为非结构网格划分软件,功能十分强大。采用FM的马***格技术,划分出来的非结构网格不仅质量好,而且网格的颜值也很高。所以Fluent Meshing这款强大的网格划分软件还是很值得大家学一学的。网格划分第一步几何导入。分两次导入几何,第一次主要用于创建尺寸函数文件,第二次正式导入几何,这种方法创建的面网格问题少,质量好。FM的网格质量提升功能比ICEM要好用许多。许多在ICEM里面不好搞定的提升,在FM里面根本不是个事儿。个人习惯在面网格划分完毕后,就直接创建周期网格,而不是导入到Fluent里面之后再进行创建周期性。面网格创建完毕,抽取计算域,记得保存好面网格,以防体网格划分出错,无法返回。如果面网格质量好的话,那么软件划分出来的体网格,一般来说不需要太多的提升,可以直接导入求解器求解。下图为划分完毕的电机计算模型体网格。电机模型体网格剖面
常规的模型设置,材料参数的导入都是基本操作内容。需要注意的是计算域的设置和边界条件的指定。这个算例一共有3个流体计算域、10个固体计算域。由于外转子是转动部件,所以涉及到了转动部件的定义。这里采用共节点MRF方法进行计算,模拟外转子转动引起的强制对流散热。固体计算域有许多,需要在发热部件上指定发热功率和材料。上表中的电机部件发热功率可以通过电机设计软件,比如Maxwell计算得出,也可以通过实验测试得出。边界条件的设定需要特别小心,第一是因为涉及到的部件很多,第二是边界的名称时软件自动命名的,所以在选取的时候要特别注意。流体和固定之间的边界为wall,软件会自动将传热类型设置为couple。某些无法建模的部件,比如线圈的绝缘层,可以在边界上进行设置。三个流体计算域之间设置为内部面。
计算收敛后导入到CFD-POST,将周期模型恢复成整体模型。然后进行后处理获取速度,温度云图,获取流线,流动矢量图等来进行指导外转子的结构设计,力求使得外转子转动产生的空气流动尽可能大的改善电机内部线圈的散热,降低电机的最高温度。
电机模型温度分布(底面)
电机模型温度分布(顶面)
电机截面温度分布
本文仅作为利用fluent进行无刷电机流热耦合分析的一个简易案例应用,文中涉及到的参数仅用于演示,无法用于实际工程应用。限于作者水平和软件操作习惯等因素,错误必然很多,对于文中不正确的地方,欢迎大家批评指正。
受仿真秀平台的邀请,笔者正在筹备无人机仿真系列精品课。当前我在仿真秀发布了多个精品单课,其中基于《基于SCDM Fluent Meshing Fluent的无人机用无刷电机的强制散热分析》视频教程如下,欢迎感兴趣的朋友订阅!
适看人群:
无人机设计工程师;
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用户得到
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2、掌握FM的网格划分的基本流程,包括:
3、掌握fluent中对稳态MRF方法和传热仿真的设置,包括:
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