介紹：近年來，電動機的電性電性分析與電磁分析一樣受到了廣泛的關(guān)注。日益小型化系統(tǒng)的必要性，同時確保其高效率和成本效益，提供了一些挑戰(zhàn)，可以通過模擬更好地理解。模擬環(huán)境為虛擬測試新拓撲和新材料提供了肥沃的土壤，無需大量支出，以確定在保持高效率要求的同時實現(xiàn)減小尺寸、降低成本和減輕重量的最終目標(biāo)的可能性。模擬還可以提供對溫度熱點和熱疲勞場景的深入了解，從而確定設(shè)計是否可靠并始終如一地執(zhí)行最佳性能。電機的熱場是決定其凈有效輸出的最關(guān)鍵的方面之一。這里還應(yīng)該指出，電磁損耗對溫度場有很強的依賴性，因此存在一種共生關(guān)系，使熱分析更加關(guān)鍵。

三種不同的仿真方法可以用來模擬電動機中的熱系統(tǒng)。集總參數(shù)類型的網(wǎng)絡(luò)模型為研究電機系統(tǒng)的熱特性提供了一種現(xiàn)實可行的方法。所處理的復(fù)雜性可以是相當(dāng)多樣的，并且可以為瞬態(tài)啟動分析或瞬態(tài)變化負荷條件分析獲得真正快速的解決方案。這種模型的優(yōu)點是運行速度極快，可以采用耦合方法，將電磁鐵場與溫度場的相互依賴性結(jié)合起來，反之亦然。然而，不利的一面是，這樣的模型確實涉及一些經(jīng)驗主義，需要投入大量的時間來組合各種系數(shù)和細節(jié)，以建立這些大型網(wǎng)絡(luò)。

CAE為這些類型的系統(tǒng)建模提供了顯著的好處，因為它消除了許多與建模相關(guān)的經(jīng)驗主義。真實的幾何模型可以是真實的，或者是接近真實的，預(yù)測可以是真實的。但是，市場上的CAE軟件有時會非常局限于可以建模的幾何圖形。特別是在這種類型的建模中，復(fù)雜的線圈形狀，捕捉這些線圈中的油分布模式，模型復(fù)制了線圈之間的小間隙與幾個不同的固體部件都對這種系統(tǒng)的建模提出了重大挑戰(zhàn)。CAE分析的兩大類是有限元分析(FEA)和計算流體動力學(xué)(CFD)。

本文介紹了一種理解特定電機系統(tǒng)復(fù)雜性的方法開發(fā)研究，以及使用商業(yè)CFD/CAE軟件Simerics-MP+對電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子組合流進行建模的能力。這項研究顯示了CAE的魯棒性，因為它能夠模擬手邊復(fù)雜的物理性質(zhì)，同時提供系統(tǒng)內(nèi)部工作的獨特3D圖像。在系統(tǒng)的不同部分的系統(tǒng)溫度預(yù)測使用共軛傳熱(CHT)模型。

背景：使用CFD來理解電機內(nèi)部工作原理的歷史可以追溯到20年前。在計算資源方面缺乏大型基礎(chǔ)設(shè)施，以及當(dāng)時CFD功能的基本性質(zhì)，這意味著CFD在此類系統(tǒng)研究中的應(yīng)用對于真正小規(guī)模的簡單情況來說是非常學(xué)術(shù)的。從這些研究中只能獲得一些基本的理解，而且它們幾乎不會對此類系統(tǒng)的工程和設(shè)計方面產(chǎn)生任何影響。很少有早期的工作著眼于大型風(fēng)冷同步發(fā)電機或電機的冷卻。他們的工作使用了商業(yè)CFD代碼Fluent。它只涉及一個單相，空氣，內(nèi)部有一個旋轉(zhuǎn)部件，旋翼葉片。各種各樣的假設(shè)包括簡化要建模的幾何的一些細節(jié)和使用周期性邊界條件。研究著眼于湍流模型，改變網(wǎng)格以獲得網(wǎng)格獨立的結(jié)果。采用運動參考系(MRF)方法對旋轉(zhuǎn)電機進行建模。轉(zhuǎn)子繞組傳熱系數(shù)(HTC)的預(yù)測值與實驗值基本一致，但絕對預(yù)測值至少比實驗值低30%。Connor等的研究也顯示了CFD建模的能力，在風(fēng)冷同步發(fā)電機中以合理的精度捕獲流量和扭矩。電動機冷卻研究的最新進展建立了直接油噴冷卻生熱固體的設(shè)計。

Ponomarev等研究了永磁同步電機的油冷卻。這是一個包括流體和固體的共軛傳熱模型。熱源施加在銅區(qū)、鋼層壓區(qū)和永磁區(qū)。采用RANS (Reynolds平均Navier Stokes) k-ε模型對湍流進行模擬。該模型簡化為僅包含1/18扇區(qū)模型，并假定轉(zhuǎn)子固體是靜止的?？紤]到所有這些假設(shè)，他們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)溫度分布相當(dāng)現(xiàn)實，顯示出銅繞組中心區(qū)域的溫度比末端區(qū)域的溫度高約1600C。他們討論了CFD能夠提供更清晰的物理工作圖像，但也指出了開發(fā)CFD模型并在功能強大的大型計算機上運行所花費的復(fù)雜性和大量時間。在另一項研究中，使用Fluent, Inc.模擬了電動機的直接油冷卻，以確定熱導(dǎo)流動結(jié)構(gòu)的有效性。同樣，在這種情況下，為了減少計算時間，模型進行了簡化，并且沒有對固體部件進行建模。此外，為了節(jié)省網(wǎng)格和計算時間，只對扇區(qū)進行建模，并具有周期性邊界條件。末端轉(zhuǎn)彎冷卻沒有建模，因為作者談到了這種兩相流問題的復(fù)雜性質(zhì)，他們使用測試數(shù)據(jù)在他們的模擬中提供HTC。Connor et al最近發(fā)表的研究工作也涉及油液沖擊端面繞組的CFD分析。精心設(shè)計并開發(fā)了一個實驗室試驗臺，以測試油沖擊末端繞組的動力學(xué)，然后將其與CFD模擬的行為進行比較。在生成CFD模型時，該模型還對幾何形狀進行了一些簡化，假設(shè)流體是對稱的，并且與實際情況不同，流體不是多相流動。參數(shù)化研究改變了輸送管直徑和靜壓箱尺寸的幾何尺寸，以展示CFD的通用性。之前的工作也顯示了CFD在影響電機冷卻套設(shè)計決策方面的能力。之前的工作還研究了繞組的油冷卻。

由于這些電機的功率密度較高，定子繞組和轉(zhuǎn)子端環(huán)的直接油冷卻是散熱的最首選方法。正如這些CFD研究所詳細表明的那樣，CFD在此類系統(tǒng)開發(fā)能力中的能力對于更好地設(shè)計有效散熱和提高效率至關(guān)重要。在本文中，使用simics - mp +專有軟件詳細介紹了一種CFD方法的開發(fā)過程，該方法用于通過對其末端繞組和端環(huán)噴油冷卻的電機。該模型開發(fā)的一些亮點將包括:

1. 共軛傳熱。

2. 旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格用于轉(zhuǎn)子噴霧建模。

3.沒有幾何簡化與高保真幾何捕捉使用Simerics體積網(wǎng)格。

4. 油氣多相模型高分辨率界面跟蹤。

5. 在不簡化對稱性、扇形模型等假設(shè)的情況下，建立電力系統(tǒng)的綜合全包模型。

數(shù)學(xué)模型

  目前研究中使用的方法是用有限體積方法求解可壓縮流體的質(zhì)量、動量和能量守恒方程。這些守恒定律可以用積分表示為

  對于實體模型內(nèi)的求解，僅求解了方程3的傳導(dǎo)部分。使用帶壁函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k - ε雙方程模型來解釋湍流，

多相VOF模型

     VOF模型被廣泛應(yīng)用于兩相流的模擬。VOF求解一組標(biāo)量輸運方程，表示每個流體組分在每個計算單元中所占體積的比例。各流體組分體積分數(shù)的輸運方程為:

  其中Fi為第i流體分量的體積分數(shù)，ρi為第i流體分量的局部密度。計算式(1)至式(5)中流體加權(quán)混合密度為：

  隱式和顯式方法都可以用來解這個方程。高分辨率界面捕獲(HRIC)格式可用于輸運方程中的對流項。目前方法中使用的VOF模型也已被廣泛驗證，用于不包括能量方程的多相流和包括能量方程的多相流。

“混合時間尺度耦合”

為了得到電機內(nèi)部的溫度場，采用了“混合時間尺度耦合”的方法來求解，而不是完全的耦合傳熱解。這種方法在早期的活塞冷卻換熱研究[20]中已得到應(yīng)用。此處提供了其實現(xiàn)的簡短描述，并在引用的出版物中提供了進一步的細節(jié)。圖1顯示了這個概念的圖示。這種方法可以在這里實現(xiàn)的原因是流體和固體熱問題在時間尺度上的巨大差異。由于固體材料的熱慣性大，固體熱場可能需要幾分鐘才能達到熱平衡，而流體熱場可以在幾秒鐘內(nèi)穩(wěn)定下來。由于較高的熱慣性，在幾秒鐘內(nèi)，典型的流體模擬，固體溫度沒有發(fā)生顯著變化。這里所使用的程序如下:

1。在模擬的某個瞬態(tài)時刻，利用該時刻的流體速度場、壓力場和油體積分數(shù)場求解對流換熱。

2. 對于與固體接觸的所有流體表面，以傳熱系數(shù)(HTC)和參考溫度(Tref)形式的熱通量映射到固體模擬中。

3.通過將所有共軛面上的HTC和Tref與流體映射，實現(xiàn)了固體傳熱模擬的穩(wěn)態(tài)求解。在收斂結(jié)束時，固體表面溫度場的結(jié)果將被映射回流體模擬。

4. 重復(fù)步驟2和步驟3，直到所有表面的流體和固體模擬之間的熱通量平衡，并且所有固體上的溫度不再發(fā)生進一步變化。

圖1顯示了用于研究共軛傳熱的“混合時間尺度耦合”方法的圖形表示：

圖2對于每次來回的流固迭代，所有共軛表面上的熱通量之和，用從流體側(cè)和固體側(cè)繪制的參考熱通量進行縮放：

圖3在四個不同的共軛表面上，從固體側(cè)將溫度傳遞到流體側(cè)，每次流固迭代都顯示了表面平均溫度與某些參考溫度的縮放。

  為了說明傳熱模擬的收斂性，圖2顯示了流體和固體模型之間的所有共軛表面的熱通量之和，從流體模型傳遞到固體模型，表示為流體側(cè)，從固體模型傳遞到流體模型，表示為固體側(cè)，對于每次來回迭代，縮放到某個熱通量參考值?；趯腆w表面溫度的初步猜測，對于流體模型，流體熱通量與固體側(cè)熱通量相比，將從完全不同的值開始。但是，最終在8次流固模型迭代之后，很明顯，流體和固體模型之間的總熱通量平衡在1.5%以內(nèi)。在圖3中，四個不同固體表面上的表面平均溫度按參考溫度縮放，將溫度傳遞到流體模型，并將其繪制為流體和固體模型之間每次來回迭代的函數(shù)。

  該圖清楚地表明，在流體和固體模擬之間的8次迭代中，每個表面都實現(xiàn)了穩(wěn)定的工作溫度。

模型細節(jié)

  該電機的流體冷卻是通過兩個油冷卻劑途徑。第一個途徑是通過轉(zhuǎn)子軸，我們將從這里稱為轉(zhuǎn)子流。第二種途徑是通過外殼中的冷卻通道，該通道通過擋板將氣流引入繞組的不同部分。這后一個流量將被稱為定子流量為其余的手稿。圖6(a)和6(a)顯示了轉(zhuǎn)子和定子流油冷卻劑通道的橫截面視圖。

  對于轉(zhuǎn)子流，如圖6(a)(a)所示，油通過軸向鉆孔輸入。有四個徑向鉆孔通過軸以及，一對在兩個不同的軸向位置。當(dāng)油沿軸向流入軸時，當(dāng)它遇到這四個徑向鉆孔時，旋轉(zhuǎn)軸固體的離心力使油開始從這四個徑向鉆孔中徑向流出。四個徑向鉆孔的放置方式使油從其中流出，然后濺落在端環(huán)表面。注意，所有這些固體都是旋轉(zhuǎn)的，如圖6(a)所示。

圖4 x橫斷面視圖切割通過電機顯示更精細的幾何細節(jié):

圖5顯示了仿真模型中包含的一些主要組件的展開視圖

圖6(a)顯示了轉(zhuǎn)子流道的z截面圖

圖6(b)顯示了定子流道的x橫截面圖

  磁體被包圍在轉(zhuǎn)子層壓板是熱和傳導(dǎo)熱量通過轉(zhuǎn)子層壓板表面，并進一步下降到結(jié)束環(huán)。因此，通過轉(zhuǎn)子流，這種熱量被油噴霧除去。相對熱的油濺落在端環(huán)表面后，然后進一步流向下游，濺落在繞組表面上，在離開系統(tǒng)之前從熱繞組表面去除熱量。

  對于定子流，油流被引入靠近機匣中心的+z側(cè)。當(dāng)油向下流動時，-z方向的重力作用有助于油通過冷卻油通道向下流動，然后有一些小通道將油通過漏斗進入繞組。

  圖6(a)(b)散列線所示的兩個截面平面上的y方向圖，冠面和焊縫兩側(cè)的左右線分別如圖7所示。繞組在圓周方向上有一個曲率，再加上溝道在繞組的不同圓周位置將油漏斗化，使油擴散到繞組的不同部位，然后通過出水口向下流入油底殼。通過定子流動的油有助于冷卻定子層壓板的加熱表面，外殼，主要是繞組。

  從計算的角度來看，電機的冷卻問題在兩個不同的時間尺度上運行，對于轉(zhuǎn)子流，軸的速度可以基本上很高。這使得速度很高，因此庫朗數(shù)很大。

  為了準(zhǔn)確地捕捉油-氣界面，這部分模擬的時間步長需要非常小，以便讓Courant數(shù)在1左右。對于定子流動部分，由于重力驅(qū)動流的性質(zhì)，速度的量級相對較小，因此精確解析油-氣界面所需的時間步長可能較大。

  這兩個問題的另一個角度是，在轉(zhuǎn)子流的情況下，解是周期性地重復(fù)自身。作為流動模擬的結(jié)果，在每次旋轉(zhuǎn)后重復(fù)。第一個旋轉(zhuǎn)需要被忽略，因為初始條件的影響被沖掉了。因此，運行轉(zhuǎn)子流動模擬三轉(zhuǎn)就足夠了，在驗證解決方案不從第二轉(zhuǎn)到第三轉(zhuǎn)后停止。但是，定子流動仿真需要運行較長的時間。因為，油進入系統(tǒng)、出油和系統(tǒng)油平衡需要幾秒鐘的時間。根據(jù)系統(tǒng)的尺寸、輸入流速以及繞組和擋板的設(shè)計，這里模擬的持續(xù)時間可能從30秒到幾分鐘不等。一旦系統(tǒng)中的油達到平衡，油的進、出口流量達到平衡，則模擬達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，可以停止。因此，這個問題的挑戰(zhàn)，作為一個整體，是兩個不同的時間尺度的轉(zhuǎn)子和定子流動的操作，以及兩個不同的時間范圍的模擬需要執(zhí)行，以達到時間無關(guān)的結(jié)果。但是，有利的情況是，對于轉(zhuǎn)子流，即使時間步長需要很小，它需要運行的相對時間量也很小，同樣對于定子流，即使它需要運行更長的物理時間，時間步長可以更大，以幫助運行得足夠快。

圖7顯示了頂部和焊縫側(cè)面的y橫截面視圖，清楚地顯示了油冷卻劑通過擋板的路徑，并引導(dǎo)油流到繞組。

轉(zhuǎn)子流動模擬壓縮機尺寸對電池和乘員艙散熱的影響|AutoAero202304期

  轉(zhuǎn)子流動模型如圖8所示，油體積分數(shù)用顏色等高線表示，洋紅色代表純油，藍色代表純空氣。在轉(zhuǎn)子流動模擬中，100%的油通過軸向鉆孔輸入，輸入值為1個單位。這是油的體積流量與流量的任意值的比例，為保密目的，因此是一個無量綱的數(shù)字表示流量。冠和焊縫兩側(cè)的軸向和徑向表面規(guī)定了出口大氣邊界條件。理想情況下，為了驗證頂部和焊縫側(cè)油的填充情況，系統(tǒng)需要完全充滿空氣而無油，并讓模擬運行到周期性穩(wěn)態(tài)結(jié)果。但是，考慮到運行時間，系統(tǒng)初始化時的油分布如圖8所示，并進行了模擬。已經(jīng)單獨驗證了初始條件對最終周期穩(wěn)態(tài)解沒有影響，這里沒有給出同樣的結(jié)果。如圖9所示，網(wǎng)格是使用Simerics的通用網(wǎng)格創(chuàng)建的，它是一個非結(jié)構(gòu)化的二叉樹網(wǎng)格，在邊界處切割以確認固體的形狀。精煉區(qū)是根據(jù)可能的油流位置來確定的，這些區(qū)域內(nèi)的單元比這些區(qū)域外的單元要小得多。此外，為了捕獲末端表面上的油膜，表面細胞的尺寸也被細化到非常小的尺寸。一個放大的網(wǎng)格插入圖像顯示了細化區(qū)域和邊界細化也可以在圖9中看到。這個模擬的網(wǎng)格大約是3000萬個細胞，主要是六面體元素。該模擬以1度曲柄角度時間步長運行，使用152個核心，運行一圈需要大約3小時的掛鐘時間。為了達到周期性穩(wěn)態(tài)條件，仿真需要運行3圈。

  在這個模擬中，考慮了軸的兩種不同速度;縮放值為1和2.125，兩者的結(jié)果將在下面展示和討論。在第一個轉(zhuǎn)速情況下，6轉(zhuǎn)結(jié)束時，油從軸上徑向鉆孔流出并濺落在尾端的模擬結(jié)果如圖10所示。在此軸轉(zhuǎn)速下通過凸冠和焊縫邊的流量的定量值，歸一化為參考流量值，作為時間的函數(shù)，如圖11中的圖表所示。

  從這幅圖中可以明顯觀察到兩點:(a)流量穩(wěn)定在0.02秒內(nèi)，(b)油液通過兩個端部，冠部和焊縫端的流量幾乎相同。冠端約為0.52，而焊縫端為總1的0.48。圖12顯示了由于油流動而在端面上形成的油飛濺圖案。從數(shù)量上看，在該軸轉(zhuǎn)速下，約11.6%的冠面面積和約4.9%的焊縫端部面積被油膜覆蓋。

圖8為轉(zhuǎn)子流動仿真的三維CFD模型。

圖9轉(zhuǎn)子流動網(wǎng)格如圖所示：

圖10顯示了1軸轉(zhuǎn)速縮放值下油的分布：

  下面給出了2.125軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)情況下的類似結(jié)果。圖13為油的曲線圖體積流量，以參考值歸一化，繪制為2.125軸轉(zhuǎn)速情況下的時間函數(shù)，藍色和紅色線分別代表冠側(cè)和焊縫側(cè)流動。油液流向冠側(cè)和焊縫側(cè)的體積流量幾乎相等，冠側(cè)和焊縫側(cè)的體積流量分別為~0.494和~0.506。圖14顯示了冠面和焊縫側(cè)端面的油濺形態(tài)。在此速度下，約5.8%的冠面和約3.6%的焊縫側(cè)端面被油浸濕。這里值得注意的一點是，在模擬的兩種速度下，系統(tǒng)中油的綜合質(zhì)量平衡誤差都在0.1%以內(nèi)。

圖11在1軸轉(zhuǎn)速的縮放值下，通過冠側(cè)和焊縫側(cè)兩個鉆孔的油體積流量之和：

圖12顯示了端部表面的油濺形態(tài)，左輪廓代表冠側(cè)端部，右輪廓代表焊縫側(cè)端部，比例值為1軸轉(zhuǎn)速：

圖13軸速縮放值為2.125時，通過冠側(cè)和焊縫側(cè)兩個鉆孔的油體積流量之和：

圖14顯示了軸速縮放值為2.125時端面的油濺形態(tài)，左輪廓表示冠側(cè)端面，右輪廓表示焊縫側(cè)端面。

定子流動模擬

  定子流動模型如圖15所示。在1個單位的100%油，即流量的歸一化值，通過靠近殼體中心的+z側(cè)進口邊界輸入。在-z側(cè)的底部孔開向水池，并規(guī)定了一個常壓出口邊界。重力方向指定為-z方向，系統(tǒng)初始化100%空氣。定子流網(wǎng)截面圖(x=0)如圖16所示。與轉(zhuǎn)子流情況類似，采用非結(jié)構(gòu)化二叉樹網(wǎng)格，以六面體單元為主，切割為固體定義。單元較細的細化區(qū)設(shè)置在預(yù)期油流區(qū)域，網(wǎng)格較粗的細化區(qū)設(shè)置在其他區(qū)域。通過圖16中的散列線如圖17所示，左圖為通過冠側(cè)繞組的切割切片視圖，右圖為通過焊縫側(cè)繞組的切割切片視圖。該網(wǎng)格是一種自動網(wǎng)格機，可確定所需單元的大小，以精確分辨率解析固體。這里需要強調(diào)這種模型的復(fù)雜性。在模型中有1000個固體部分，需要以高保真度準(zhǔn)確解析這些固體:(a)準(zhǔn)確捕獲冷卻流體流動通道，從而得到正確的油流分布;(b)系統(tǒng)中的加熱和冷卻模式將被準(zhǔn)確捕獲，從而可以在模擬中準(zhǔn)確計算固體傳導(dǎo)和流體對流。在圖18中，顯示了CAD曲面和解析網(wǎng)格曲面的并排比較，展示了繞組復(fù)雜固體結(jié)構(gòu)的精確分辨率。定子流動模型網(wǎng)格約為8700萬個單元，以六面體單元為主。該模擬以1毫秒的時間步長運行，使用264核。這里只給出和討論了1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的結(jié)果。它在24小時內(nèi)運行2.5秒的物理時間。

  圖19顯示了定子流動模擬中5s時油流分布的快照。油滴通過油流通道，然后根據(jù)擋板中可供它流動的孔，在不同位置潤濕繞組表面。這里值得注意的是，與焊接側(cè)尾相比，皇冠側(cè)尾似乎得到了更多的油。圖20和21顯示了模擬6秒結(jié)束時原油體積分數(shù)的截面圖。在這兩幅圖中，x橫截面圖顯示了油如何向下流動并分叉到頂部和焊縫一側(cè)，y橫截面圖顯示了油如何向下流動以潤濕繞組表面。最終，兩邊的油積聚在殼體的-z側(cè)，并通過靠近頂部一側(cè)的出口流出。監(jiān)測模擬是否達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)行為的方法之一是監(jiān)測不同固體上的油濕面積分數(shù)。這個量是衡量被油浸濕的面積占總面積的比例。從圖22可以看出，當(dāng)溶液達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)行為時，沾油面積分數(shù)隨時間的變化基本保持穩(wěn)定。在這個圖中選擇了四個不同的固體表面。底部和頂部的冷卻液通道，即頂部和焊縫，在約3秒左右達到約0.4和約0.2的油的分數(shù)。同樣地，纏繞表面也在~3s左右達到了油面積分數(shù)~0.2的平臺。但套管表面油潤濕面積分數(shù)仍在不斷增大，即使在5s后套管仍被越來越多的油潤濕。

圖15為定子流動仿真的三維CFD模型。

圖16定子流動網(wǎng)格的x=0截面圖。

圖17顯示了網(wǎng)格的兩y截面視圖，左邊是皇冠側(cè)繞組，右邊是焊縫側(cè)繞組。

圖18顯示了實體CAD表面和Simerics網(wǎng)格捕獲的網(wǎng)格表面之間的并排比較。

圖19在物理時間5秒時，油體積分數(shù)大于0.5的等值面，用油體積分數(shù)等值線著色。

圖20在6s時，x=0和y=-0.1975截面上的油體積分數(shù)等值線結(jié)果如圖所示。

圖21在6s時，x=0和y=-0.042截面上的油體積分數(shù)等值線結(jié)果如圖所示。

圖22顯示了不同固體表面上的油濕面積分數(shù)隨時間的變化。

組合模型

  現(xiàn)在，給出了一些模型的細節(jié)和結(jié)果，并討論了包括轉(zhuǎn)子和定子流動在內(nèi)的組合模型。在圖23中，顯示了組合模型網(wǎng)格的x和y橫截面視圖。這里值得注意的是轉(zhuǎn)子流側(cè)的細網(wǎng)格。之前手稿中介紹的轉(zhuǎn)子和定子流的網(wǎng)格，在這里被組合在一起，組成了這個組合網(wǎng)格，它是由1.17億個主要六面體形狀的元素組成的。計算方法開發(fā)運行這種情況下轉(zhuǎn)子和定子流動都在一個模型，其中有兩個不同的時間步長，是機密的，沒有在本文中詳細說明。文中給出了仿真結(jié)果。

  流量輸入是相同的1無量綱值，現(xiàn)在在轉(zhuǎn)子和定子的流量進口。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2.125轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。模擬運行大約21秒。以大于0.5的油等值面表示的油體積分數(shù)的結(jié)果如圖21所示。結(jié)果表明，油從+z側(cè)進氣道向下排放，通過兩側(cè)的兩個通道擴散，沿繞組向下流動，潤濕了凸冠側(cè)和焊縫側(cè)，并從底部排出。還可以看到油的轉(zhuǎn)子流從軸上的徑向鉆孔中流出，并在頂部和焊縫端部形成一層膜。然后，這些油進一步流向下游，撞擊繞組并退出系統(tǒng)。在圖25中，通過軸上4個徑向鉆孔的油體積流量隨時間變化的曲線顯示出來。如轉(zhuǎn)子流動情況所見，油通過4個徑向鉆孔均勻分布，~0.25。圖26給出了在x=0處、y=-0.1975m處和y=-0.042m處三個不同切割面的油氣分布等高線。這里的結(jié)果與轉(zhuǎn)子和定子流分開運行時得到的結(jié)果是一致的。結(jié)果的另一個角度是從三個不同的部分來看的，

  圖27中z=0, y=-0.1948m和y=-0.053m的距離。該截面圖還突出了轉(zhuǎn)子流動模擬結(jié)果與定子流動模擬結(jié)果的結(jié)合。從兩幅插圖中可以明顯看出，圖中顯示了由于離心效應(yīng)而噴出的油射流，并撞擊和飛濺端面，在端面上形成油膜。該圖還顯示了通過繞組表面的油分布頂部的端面上的油擴散膜。對于組合模型，需要120小時(5天)的運行時間來運行案例，直到使用240個核心的21秒物理時間。該模型可以線性擴展到750個核，這可以將模擬的運行時間減少至少3倍。

圖23轉(zhuǎn)子和定子流均在單一模型中的模型網(wǎng)格，稱為組合模型，如圖所示。

圖24動、定子同時流動模擬~21s后，油體積大于0.5的等值面。

圖25通過軸上4個不同徑向鉆孔的轉(zhuǎn)子流油體積流速的結(jié)果。

圖26 x=0、y=-0.1975m和y=-0.042m切割面~21s后油液分布結(jié)果。

圖27從z=0、y=-0.1948m和y=-0.053m切割面看~21s后油的分布結(jié)果。

傳熱分析

  基于對該電機的測試，測量了該電機產(chǎn)生的熱量，并將其作為CFD模型的輸入。產(chǎn)生的熱量分布在轉(zhuǎn)子、定子層壓板和繞組之間。圖28顯示了用熱參考值縮放后的熱分布，縮放后的值分別為轉(zhuǎn)子鐵損、定子鐵損和繞組鐵損。實體模型的網(wǎng)格是5400萬個細胞，它將所有不同的實體組件分解為更精細的細節(jié)。為了模擬共軛傳熱，使用了前面同名部分中詳細介紹的“混合時間尺度耦合”方法。對于下面給出和討論的傳熱結(jié)果，使用~21s時的流場結(jié)果來設(shè)置流體流動模型中的速度場、壓力場和油分布場。采用穩(wěn)態(tài)模擬方法求解了流體和固體的傳熱問題。在流體模擬中，在~21s的特定情況下，根據(jù)油氣分布和速度場求解對流問題。然后將熱流通量的HTC和Tref形式的解加載到固體系統(tǒng)中，進行了導(dǎo)熱傳熱的固體模擬。這個過程反復(fù)進行，直到熱輸運解收斂為止。更多細節(jié)請參考前面關(guān)于“混合時間尺度耦合”傳熱方法的描述。對于固體傳熱模擬，其性質(zhì)如下表1所示。

  溫度分布的結(jié)果表明，低溫進口油進入有助于降低繞組和繞組表面的溫度?？拷肟诘膮^(qū)域溫度較低，而更遠的地區(qū)氣溫更高。但是，始終被油浸濕的繞組和繞組的溫度比沒有被油浸濕的繞組和繞組的溫度低。圖29給出了x=0和z=0時兩個切割平面內(nèi)的溫度分布。從定子流入口和轉(zhuǎn)子流入口下降的油使這些通道冷卻到入口油溫水平，但遠離這些入口的區(qū)域在綠色和黃色區(qū)域顯示溫度升高。兩個y截面圖的溫度分布結(jié)果，一個穿過冠端，一個穿過焊縫端，如圖30所示。從圖30中可以看出，在冷油進入固體吸收熱量的區(qū)域有藍色的冷痕跡。從這兩個視圖中可以看到轉(zhuǎn)子流油膜從固體末端去除熱量的痕跡，特別是在右側(cè)焊縫圖中。轉(zhuǎn)子、定子和繞組的三維固體溫度如圖31所示為三幅圖。轉(zhuǎn)子圍繞中心軸的分布基本對稱，定子和繞組的固相溫度在定子進口側(cè)比出口側(cè)低。此外，繞組的冠側(cè)溫度低于焊縫側(cè)溫度。這再次與從定子流向冠側(cè)的油比從焊縫側(cè)的油多一致。

  最后，用24個不同的熱電偶位置(12個在冠側(cè)，12個在繞組的焊縫側(cè))比較了實驗測量值和Simerics模擬值之間的歸一化溫度。從比較中可以清楚地看出，模擬捕獲了與實驗測試中準(zhǔn)確的溫度分布模式。探針4 - 9和探針17-21的CFD溫度值較小，與測試數(shù)據(jù)中看到的溫度相似。除了一個探針外，其余25%的探針仍在150℃以內(nèi)。測試數(shù)據(jù)和Simerics數(shù)據(jù)之間的差異的均方根(RMS)約為8.850C。

圖28顯示了測量的熱量在三種不同固體之間的分布，即轉(zhuǎn)子鐵損失、定子鐵損失和繞組損失，尺寸單位為瓦特歸一化。

表1顯示了不同組分的材料類型以及材料性質(zhì)，即密度、比熱率和熱導(dǎo)率。

圖29顯示了x=0和z=0截面平面的縮放溫度分布。用參考溫度縮放的溫度在這里被繪制出來。

圖30給出了電機冠側(cè)和焊縫側(cè)兩個y截面平面的溫度縮放分布。

圖31給出了三幅圖中轉(zhuǎn)子層壓板、定子層壓板和繞組固相層上的縮放溫度分布。

圖32顯示了在繞組中24個不同熱電偶位置的測試和Simerics數(shù)據(jù)之間的歸一化溫度比較。

總結(jié)

  電機的效率很大程度上取決于有效的散熱。通過在定子繞組或轉(zhuǎn)子端面上直接噴油的冷卻通道，直接在源頭處去除熱量已成為非?？扇〉姆椒?。由于幾何形狀、多相流體流動、熱損失和電損失之間的緊密聯(lián)系，精確的CFD分析為此類電機提供設(shè)計方向或故障分析是一項艱巨的任務(wù)。這些幾何圖形本質(zhì)上非常復(fù)雜，網(wǎng)格尺寸和運行時間可能相當(dāng)重要。

  在目前的工作中，已經(jīng)開發(fā)了一種CFD方法來解決電機中的這一復(fù)雜問題。利用simics - mp +專用CFD軟件，對直接油冷電機內(nèi)部溫度進行了全瞬態(tài)三維多相VOF耦合傳熱模擬。詳細地給出了轉(zhuǎn)子和定子兩種流動引起的油分布模式的結(jié)果。熱負荷目前是模擬的源輸入，但內(nèi)部開發(fā)已經(jīng)成功地將電磁求解器JMAG與simics - mp +耦合在一起，使解決方案更加健壯和完全可預(yù)測。溫度結(jié)果與測試測量結(jié)果進行了比較，兩者之間觀察到良好的相關(guān)性。

  即使捕獲了所有復(fù)雜的幾何細節(jié)，設(shè)置和運行時間也在5天左右，有240個專用核心來運行模擬。隨著研究結(jié)果的復(fù)雜性質(zhì)，它提供了CFD作為一種工具的未來，與此類電機的物理測試相比，它可以導(dǎo)致更快的設(shè)計修改。

文章來源：

Srinivasan, C., Yang, X., Schlautman, J., Wang, D. et al., “Conjugate Heat Transfer CFD Analysis of an Oil Cooled Automotive Electrical Motor,” SAE Int. J. Advances & Curr. Prac. in Mobility 2(4):1741-1753, 2020, doi:10.4271/2020-01-0168.