Fluent仿真攻略：风冷电机流场与温度场深度解析

导读：

电机在运行过程中会产生损耗，这些损耗会使电机发热，影响电机效率。电机发热对绕组绝缘材料的物理、电气及力学性能都有影响。当电机温度过高时，会加速绝缘材料的老化，降低绝缘材料性能，更严重时会烧毁电机。因此，对电机散热进行分析具有重要的实际意义。如果在产品设计前期能够确定较为合理的冷却方案，不仅能够保证电机稳定运行性能，也能延长电机的使用寿命。

一、电机散热方式有哪些？

电机根据自身容量、功率密度及工作环境等因素采用不同的散热方式。目前主流的电机散热方式主要如下：

1、自然冷却。

这种冷却方式一般适用于微小型电机，这种电机一般在机壳外部设置翅片，依靠空气自然对流和辐射散热。

2、通风冷却。

通风冷却也分为自扇冷却及他扇冷却。自扇冷却一般在电机转子上装有风扇，依靠转子转动风扇产生风压进行强迫冷却。他扇冷却一般利用外部风扇或鼓风机驱动冷却风对电机内部进行冷却。

3、通水冷却。

中小型电机通水冷却方式一般采用机座带水套通水冷却或在定子铁芯轭部通冷却管路等方式。大型电机则广泛采用内部冷却方式，即采用空心绕组，冷却介质通过绕组内部带走热量。

4、其他方式。

一些特种电机及特殊工作环境的电机也有采用氟利昂相变冷却等其他散热方式。

二、风冷电机的基本通风结构

风冷电机内部的风路结构也分为轴向通风结构、径向通风结构以及轴径向混合通风结构。轴向通风结构一般在定、转子开设轴向通风道，冷却风从电机一端进入，通过轴向通风道从另一端流出。但是这样会导致轴向方向温度分布不均匀，出口端温度较高。径向通风结构则是利用分段式定转子铁芯段之间的间隔作为径向通风道，这样可以有效增大散热面积，并且铁芯及绕组沿轴向方向温度分布相对均匀。轴径向混合通风结构则是综合了两种通风结构，包含了轴向通风和径向通风结构的所有特点。

轴向通风结构

径向通风结构

轴径向混合通风结构

三、风冷电机Fluent仿真流程

以一台自建径向通风结构电机模型为例，介绍风冷电机流场及温度场的仿真流程。计算流程如下：

1、SpaceClaim进行模型前处理，抽取内流场

利用前处理软件SpaceClaim对原始模型进行进一步处理，并对原模型进行简化。利用体积抽取命令抽取流体域后，轴向取1/2模型，圆周取1/4模型。将流体域分割为转动域及静域，并对转动域及静域进行共享拓扑。

流体区域前处理

2、FluentMeshing构建流体域共节点周期性网格

将第1步处理好的模型**一份，将其中的固体区域删除，保留处理好的流体区域。将处理好的流体域模型导入到FluentMeshing中，进行网格划分。在处理好面网格质量以及对边界进行命名后，需要用Recover Periodic命令建立周期性网格映射。最后通过Auto Mesh命令生成多面体网格。

流体域共节点周期性多面体网格

3、电机风阻特性计算与风扇工作点求解

风扇在工作时，由于电机内部存在阻力，风扇的风量达不到最大风量。因此需要先对电机的风阻特性进行求解，求解出电机阻力与入口风量的关系曲线，再与风扇P-Q曲线求交点，得到风扇在电机额定工况运行时的风量。对于电机风阻特性的求解，只需要在Fluent中设置一系列不同的入口风量，再将其对应的进出口压差求出来，则得到电机的风阻特性曲线。

风扇工作点

4、温度场计算模型前处理

将第1步保存的模型导入SpaceClaim中，继续对固体部件进行处理。将定、转子绕组在槽内及槽外的面分割开来。再利用群组命令进行命名，方便后续在Fluent中设置绕组自身的绝缘层热阻。将所有零部件进行重命名后，再将相关边界进行命名，最后对整个组件进行共享拓扑，方便生成共节点网格。

温度场模型前处理

5、温度场FluentMeshing共节点周期性网格划分

对于电机这种多部件的模型，如果用对各部件分开划分网格，再用Interface对交界面进行匹配计算的话，虽然可以一定程度减少网格量，但是操作比较繁杂。目前计算机性能都比较强大，建议多部件的共轭换热问题都采用共节点网格。电机的网格生成的难点在于绝缘层的处理。一般电机绝缘层很薄，但是轴向长度较长，是细长型的薄壁。如果网格尺寸过于稀疏，则长宽比可能很大，导致网格质量不行。一种方法是在FluentMeshing中通过设置Proximity尺寸函数，设置小间隙中的网格层数，保证绝缘层厚度方向有2层网格，但是这样网格规模可能会比较大。另一种方法则是不对绝缘层进行实体建模，而是在Fluent中通过设置壁面热阻来模拟绝缘层的作用。

温度场共节点周期性网格

6、温度场在Fluent中求解设置及后处理

电机在Fluent中的设置主要步骤如下：首先选择合适物理模型；定义材料属性；定义流体部件的材料及转动域MRF设置；定义各固体部件的材料及热源参数；定义正确的边界条件及参数；选择合适的算法；定义关键物理量的Report监控；最后进行初始化求解。求解结束后再利用Fluent自带后处理功能，对结果进行进一步处理和分析。

这样，风冷电机一个完整的仿真流程便走完了。如果在设计初期，能够对电机进行流场及温度场分析，可以提出相关优化建议，降低电机运行温升，提高电机稳定性及使用寿命，对电机设计具有重大实际意义。

定子绕组温度分布云图

截面速度矢量图

四、基于Fluent电机散热流场及温度场分析

本文介绍了基于Fluent电机散热流场及温度场分析的基本流程，希望本文的介绍可以为从事电机流场及温度场仿真工作的朋友提供帮助。

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