基于Star-CCM+新能源汽车液冷电机热仿真解决方案（附教程）

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导读：电机作为驱动系统的核心，直接影响着电动汽车的动力性能。纯电动汽车使用的永磁同步电机具有很高的功率密度，由此引发严重的温升问题，影响电机的工作效率、运行性能以及使用寿命，因此必须将电机温升控制在合理范围内。

驱动电机是一种将电能转换为机械能的部件，能量转换过程中会存在一些以热为表现形式的损耗，而这些热则会作用于电机各部件，使各部件温度升高。电机温升是由电机发热造成的电机与环境的温度差，电机的效率是电机的一大重要指标，而电机效率与电机温升是两个关联性及其紧密的参数。除却在设计过程中减少电机各部分损耗，降低电机温升也是提升电机效率的一个较为有效的措施。而电机长期温度过高，也会对电机产生不可逆的严重危害，会导致磁石结构变形、退磁和绝缘材料失效等。但电机温升计算较为复杂，因电机工况复杂多变，且其不仅涉及电机学，还涉及传热学、空气动力学、流体力学等交叉领域。

在控制电机温升提高电机效率的问题上，目前可以采用两种方法：一种是通过合理设计降低电机各项损耗，另一种则是采用高效的冷却系统，达到有效降低电机温升的目的。冷却系统是由冷却管道、添加到冷却管道用来促进冷却的各个组件、流经冷却系统的冷却液组成。

根据冷却形式不同可分为风冷冷却和液冷冷却，液冷冷却结构电机，是目前选用较多的一种冷却方式，国内外学者均对液冷结构开展了许多研究。液冷结构的设计中比较重要的一部分就是冷却回路的设计，高效的冷却回路设计可以缩短冷却时间，提高效率。

在新能源汽车领域，汽车的电动机具有功率密度大、体积小型化的特点，但也因工作环境封闭，导致发热问题严重，需要额外冷却流道强制对流散热来保证电机可靠的运行，电机散热成为电机结构设计的重要内容。

一、液冷电机仿真难点

新能源汽车的电动机面临两大问题：

一是模拟电机多相流冷却非常耗时，多相流仿真需要较小的时间步长和数百转才能达到统计的稳定状态；

二是固体温度的模拟需要更长的时间尺度（数分钟），使用瞬态方法直接模拟几乎是不切实际的。

因此在液冷电机的仿真中，需要提高仿真效率。

二、液冷电机仿真方法

为解决上述问题，提供了一种激进的瞬态仿真方法，采用混合多相流方法（MMP）结合大尺度交界面检测 (LSI) 模型，加速固体热扩散方法进行液冷电机的仿真。

混合多相 (MMP)模型适用于离散多相混合物建模，其中相混合由加权物理属性表示。可以将混合物的一组质量、动量和能量守恒方程进行求解，并求解相体积分数的传输方程。大尺度交界面检测 (LSI)模型可检测包含相间大交界面的网格单元组。通过使用大尺度交界面检测(LSI)模型，MMP的功能不仅扩展到对混合物建模，还能对分层流体建模。这两种模型的组合也称为MMP-LSI，可以捕捉不同的共存流区域，如自由表面流、离散液滴和离散气泡。MMP相间相互作用不需要固定离散相和连续相。在计算域的某些部分，主相可以离散，而在另一部分，次相也可以离散。MMP-LSI可用于模拟蒸发器、石油管道或核应用等CFL数较高的多相应用，即允许在相交界面附近使用更大的时间步和更粗糙的网格，而不会影响工程物理量（例如扭矩）的结果精度。

三、液冷仿真实践

电机模型如图（电机模型由西门子工业软件提供），电机包含转子轴、转子铁芯、转子磁钢、静子外壳、静子线圈、静子铁芯。模拟开始时，油相通过轴上的孔，从轴的中心进入电机内部；在电机内部，转子快速旋转会产生油滴和气泡的混合物，油和空气建模为不可压缩液体和气体，多相混合物使用MMP-LSI通过自适应界面锐化（ADIS）方案对清晰的交界面进行建模。因此，油的体积分数将动态演示油-空气交界面的瞬态演变，在转子的影响下形成的分层流和离散流。

电机模型

在进行油冷电机仿真时，使用旋转参考框架，尽量不要把旋转域与静止域的交界面设在空气间隙的中间，如果转子表面有槽，则可以把交界面设在空气间隙的中间，否则最好设在转子的外表面。如果可能，避免交界面平行与旋转轴，在固体转子和静止空气的交界面上使用周向热流平均模型。

为加速固体热扩散，可以将热扩散系数设为较高的值，以减少达到稳定状态所需的物理时间，这里可以将固体的密度设置为一个非常小的值来实现；固体密度不要使用太大的值，值越大固体达到热平衡的时间越长；密度越低，对温度的响应时间越快，可以将计算密度设为实际密度的1/1000，可以得出合理的结果，如果密度太小，则会产生不合理的峰值噪音。