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AcuSolve在电机热仿真中的应用

2020-02-16 00:36

  随着能源危机的不断加剧和环境污染的日益严重,电动汽车将成为替代传统燃油汽车的主要交通工具。电机作为电机驱动系统的动力源,是电动汽车动力系统的核心。随着电机电力电子技术、微电子技术、自控技术的飞速发展和更加完美的结合,电动汽车的车用电机必将发展成为可靠、易维护、低成本、高效率、宽调速、高功率密度和高集成度的智能电机。电机运行时产生的热损耗会引起电机内部各个部件的温度升高,温升过高或者局部温升过高,会影响到电机的安全性,严重时会使整个定子烧毁,或者使定子绕组绝缘损坏而引起股间短路,造成极大的经济损失。相反,如果温升过低,又会造成材料浪费,增加生产成本。因此,解决系统的散热问题,开发效率高、成本低、重量轻的散热结构,逐渐成为电机开发过程中的重点项目。而随着CFD技术的发展及其在工程领域的广泛应用,使得热仿真技术已经成为散热系统前期开发和初步验证的重要工具。借助热仿真分析软件,工程师可以快速而准确地得到系统的热设计分析结果,据此可对系统的风道设计、器件布局、风扇选型、散热器设计等提供直观而准确的依据,从而大大加快热设计的速度并提高设计质量。

  本文以某风冷电机为例,使用AcuSolve软件对电机在自然风冷的试验台工况和强制风冷的真实车载工况分别进行了热仿线 有限元模型的建立

  本文分别研宄了风冷电机在自然风冷和车载风速40km/h这两个工况下的电机温升。其中,工况一为实验台测试的条件,对应的是自然对流的散热情况;工况二为电机真实工作的条件,属于强制对流散热。电机内部零部件较多且装配关系较复杂,因此将电机内部结构进行了适当简化,简化后的模型见图2.1。为了考察在车载工作状态下的电机散热情况,建立了实车的简化模型,与电机进行装配,装配效果见图2.2。

  电机模型及内外部流场的网格划分在前处理软件HyperMesh中完成。对电机的内部流场进行精细建模,用较小的网格尺寸捕捉流道内不可忽略的几何特征。考虑到电机定转子间气隙较小,对定转子间气隙网格进行了局部加密。近壁区域边界层数设为5层,第一层边界层厚度为0.02mm,以保证壁面y+值接近1。虚拟风洞按照外流场空气动力学分析的要求建立,来流方向的总长度为车身的10倍,上游和下游的比例大致为3:7;截面阻塞比控制在2.5%左右。微耕机发电机如图2.3与图2.4所示,车身及电机周围分别进行了不同程度的局部加密,整体网格总数为239万。

  不同部件的材料属性,尤其是热传导率,在整个散热过程的计算中起到了十分重要的作用,因此需要正确定义。在AcuSolve中,除了内置的材料库,还可自定义材料列表。表2.1为电机模型中所涉及的材料列表,需分别查阅其对应的物理属性并输入到软件中。

  本文的分析目标之一是对比在自然风冷的工况下,各部件的仿真温升曲线和实验温升曲线,以此验证建模的合理性,并进一步应用到考虑环境风速的车载工况中。因此需要将整个流动换热的过程做瞬态分析。然而,流动和传热的时间特征尺度并不是一个数量级的。事实上,捕捉流动状态的时间步长远小于捕捉热传递现象的时间步长,微耕机发电机而热传递达到稳定状态的物理时间又比流动达到稳态的时间长很多,因此两者在时间步长和物理时间这两项上很难做到统一。换言之,如果为了正确模拟流动状态而选择较小的时间步长,同时根据要求考察2小时内的部件温升曲线,那么总的计算步数将达到107的级别。在硬件资源有限的情况下,这样的计算规模是无法保证在短时间内得到对产品设计研发有指导意义的结果的。

  针对此类问题最有效的分析策略就是流动和传热的分步求解。具体来说,第一步是在不考虑传热效应的前提下,对流场进行稳态计算。第二步,将稳态流场的收敛结果映射到模型中作为流场的初始条件,并冻结流动的计算(即不求解N-S方程组),通过能量方程求解整个模型(包含流体、固体)的温度场。这样的解耦计算方法,有效地解决了上述时间步长不统一的问题。

  本文首先进行了电机外部在自然对流作用下的零部件温升仿真。这个工况符合实验台测试的条件,并且有实验数据做对比。自然对流占主导的散热过程中,辐射散热的贡献量也不可忽略,需要综合考虑固体内的热传导、固体和流体之间的共轭传热、流体的自然对流换热和辐射换热等热传递的途径。

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关键词: 微耕机发电机