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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    电机热流场与散热分析概述

    发布时间:2013-12-17

    浏览次数:

    • 三、电机热流场分析

      3.1研究背景
      由于电机结构及冷却方式的特殊性,电机的通风散热结构设计与电机的温升关系极其密切。
      热量传播过程比较复杂,以及电机研究受试验手段和条件的限制,较难准确获得电机内温度场和流场的分布状态。
      随着计算机技术的发展,采用商用软件进行CFD计算模拟成为现实。
      3.2分析目的
      a)可对电机内空气的流动做出准确的描述;
      b)对发热件和空气的热交换进行分析计算;
      c)可对风扇的冷却性能做出评估及优化。
      d)可对部件的温升进行评估;
      e)可改善通风结构。
      f )提高产品散热性能、缩短产品上市时间、降低产品成本。
      3.3分析方案
      对电机散热的计算分两步完成:
      1) 不考虑热源,计算电机内部流场分布。
      分析电机内气流流向和速度分布以及压力分布,关注线圈周围的流动状况以及局部速度滞止区域。分析各部分流量分配情况,初步判断电机内散热情况。流场计算的优点是计算量相对较少,计算速度较快,可用于初步的计算和布置方案的选型。
      2) 考虑热源发热量,计算电机内部温度分布。
      考虑热源发热量以及绝缘材料的热阻,计算电机内部温度分布。分析电机各部件温升情况及散热情况。对电机的散热情况进行评判。
      分析流程如下:
      3.4应用软件
      在电机热流场分析的整个流程中,前处理阶段在ANSA中进行,求解器采用SC\tetra。下面将主要进行的内容和软件相关方面作以介绍。
      3.4.1 专业前处理软件ANSA的应用和介绍
      前处理中包括的内容有:
      检查模型是否正确反映装配关系;
      对有重叠面、自由边、以及部件干涉等现象进行修正;
      适当简化模型,去掉螺栓、螺帽等小结构件,填平安装孔;修改联接关系,去掉装配间隙;
      删除不必要的小特征结构;
      忽略非热源的较小特征;
      去掉对流体影响不大的小结构件;
      对较小厚度的部件做成简化的壁面;
      对转动区域与静止区域分区处理,确定转动区域;
       对关注流道建立内部面,用以提取此处参数;
      ANSA是一个高性能的有限元前后处理软件,它能让CAE分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。它可高效率和高质量的导入已有的三维CAD几何模型(UG,Pro/E,CATIA等)和已有的有限元模型,可以大大减少工作的重复性。
      ANSA是目前公认的全球最快捷的CAE前处理软件,也是一个功能强大的通用CAE前处理软件。ANSA具有很多独创的技术特色,因而使得它比之其他同类软件具有非常高的效率和能力,并在全球范围得到了非常广泛的应用,包括汽车、航天航空、电子、船舶、铁路、土木等工业领域。
      对于电机模型,ANSA可以方便地将CATIA、Pro/E、UG等主流的三维设计软件格式的文件直接转化为.ansa的文件,另外还支持读入通用格式的.ig(s)和step文件。ANSA超强的几何处理功能能够自动的检查模型存在的问题,能够帮助用户快速的进行模型的处理和简化、建立封闭流体域。ANSA软件提供先进而有效的几何清理和修复工具,使用户能够快速修复CAD数据而不用重新建立复杂的几何模型。
      强大的几何功能使用户方便进行几何实体定义、修改自动识别孔、圆角和边角等小特征以便进行快速的半自动几何清理
      自动识别并关联对称特征
      识别并关联新旧几何信息以及有限元模型
      对误删的几何信息可以重新找回
      ANSA超强的几何清理功能使得用户可以非常方便的使用ANSA创建和处理复杂的几何,包括曲线和曲面。在几何清理功能、效率以及几何缺陷容忍性和修复能力方面ANSA要优于类似的其他软件。
      混合体网格
      在电机的流体网格划分方面,ANSA软件可为流体分析软件提供高质量的、符合用户要求的流体网格。在生成流体网格前,应利用其强大的拓扑功能、CAD功能为生成网格做好准备,ANSA软件会自动根据模型的几何曲率自动分配网格的节点数,控制网格大小增长速率,限制最小和最大网格以及特征角,然后利用网格检查功能,根据用户的使用要求对网格进行检查,并完成自动和手动网格质量改进,同样ANSA能快速方便的完成四面体和六面体流网格。ANSA可生成高质量的附面层网格,同时对附面层干涉区域进行自动处理。同时,ANSA软件应具有多种六面体网格生成功能,分别针对不同的几何形状进行体网格划分,能满足任何形状的体模型网格创建,同样ANSA软件也需要提供体网格质量检查和改进工具,使用户方便的对质量差的网格进行质量改进。
      在与求解器的接口方面,ANSA对于主流的CFD软件均有接口如FLUETN,CFX,Star-CD,CFD++等,ANSA还支持通用流体软件SC/Tetra。ANSA也支持开源CFD软件Openfoam。用户在利用ANSA 划分好模型的有限元网格后,可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式,从而利用相应的求解器进行计算。
      3.4.2 流体分析软件SC\tetra的应用和介绍
      在电机流场和热流场求解方面采用大型通用热流体分析软件SC\tetra进行计算。
      SC/TETRA是强有力的CFD工具,它的前处理器具有较强的软件接口功能,可实现多种前、后处理软件的数据传递。它具有网格自动生成和自适应网格划分功能,可生成高质量的网格,方便用户操作。求解器可解决对流、相变、热辐射等几乎涵盖所有的热流体分析问题。在后处理方面,他可以很方便的生成动画,还可以读入试验结果,方便计算结果和试验数据的对比。
      Sc-tetra作为大型的通用热流体分析软件,有其自身的优势。这里主要就电机散热方面相关内容作以说明: 
      1)Sc-tetra针对传热计算,除了可以进行传导和对流的热分析外,还可以分析一个热源的热辐射问题,包括热辐射能量的反射、吸收和散射。在电机散热分析模型中,对于薄板类部件,由于厚度较小,为保证计算网格数量和计算精度,通常需要做简化处理。Sc-tetra支持薄板类部件简化为面网格进行传热分析。在传热分析中可考虑不同部件之间的热阻及传热,同时计算部件与空气之间的传热。
      2)Sc-tetra可使用完全不连续的网格分界面,这样有不同拓扑关系的网格就可以作为一个模型连接和处理。采用此功能在计算具有转动部件的电机流场及热流场分析中尤其好用。他将转动区域与静止区域分为两个部分。两个部分之间网格不连续分布。当转动区域运动时,静止区域网格不会变化,在静转子交界面上数据进行传递,不影响计算精度。
      3)电机模型复杂,计算网格数较大。因此需要求解器能计算超大型网格,具有较好的计算并行能力。Sc-tetra软件网格生成速度和求解速度快,并能提供线性加速的并行功能,可最大限度利用计算机资源,快速的求解具有较大网格数的模型。据测试,对于i7CPU配备64GB内存可以做到上亿网格的生成和求解计算。因此对于超大型的网格,Sc-tetra具备一定的优势。
      4)SC/TETRA在后处理方面,与美学效果相结合,能够快速美观的处理各种云图、等值线图、流线图等。他能方便的提取计算数据和绘制二维图,自带动画处理工具,能够以更多、更有效的方式呈现计算结果。
      电机转子表面温度分布
      径向切面速度矢量分布

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