基于ANSYS的水冷电机的热仿真

1 引言

当前随着车辆交通工具地不断普及，电力驱动技术被广泛应用到车辆传动领域；而作为电驱动技术的核心部件，为了满足车辆传动的严格要求，除了应具有效率高、调速宽、结构紧凑等特点外，还应具足够竞争力的输出功率，以满足车辆的巨大动力需求。所以，车载驱动电机往往需要很高的电磁负荷设计，在运行过程中由于电磁产热、摩擦等产生大量的热，使电机中内部温度急剧升高，各零部件存在过温被烧毁或失效的风险，而驱动电机的运行环境温度较高、通风散热效果差、冷却介质温度高有大大增加了过温风险。因此，对电机进行精准的热特性分析和计算，设计合理有效的电机散热系统是十分必要的，其对于高功率密度电机性能的提升起着至关重要的作用。一般使用等效热阻来计算电机温升，但计算结果过于简单，无法输出精确的温度三维分布，满足实际电机设计需要，故本文以某水冷电机为计算对象，使用Ansys软件建立完善的电机热性能分析流程，为高功率电机热设计提供高精度的温升信息参考。

2 电机损耗及散热理论分析

2.1 电机参数

本文研究对象为某小型水冷电机，其基本参数如表1所示：

2.2 电机损耗

电机运行过程中，通入电流，产生感应电动势，电磁力驱动转子不断运动，同时产生损耗，作为能量源项，影响电机整体温度分布。在电机运行过程中损耗主要包括：铁耗、铜耗、永磁体涡流损耗和机械损耗。

2.2.1 铁耗

铁芯损耗是由于磁场在导体内部自成回路，从而形成涡流损耗，其是铁芯损耗的主要组成部分。根据铁耗独立的原理分析，定子铁心每个单元由任意磁密波形所引起的铁心损耗包括涡流损耗、磁滞损耗和附加损耗三部分。单位时间体积铁芯损耗可以按照以下公式计算：

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(1.1)

上式中：𝛔为材料电导率（S/m）

𝑩𝒎为磁场密度峰值（T）

𝑲𝒉为磁滞损耗系数

𝑲𝒆为附件损耗系数

𝒅𝒄叠片厚度（m）

其中第一项表示涡流损耗，第二项表示单位体积铁芯内生成的磁滞损耗，第三项为附加损耗。根据式（1.1）计算出瞬时的铁芯损耗密度，在与体积相乘，并对时间进行积分，就可以得到总铁耗，其直接可以作为能量源项输入电机温度仿真中，实现电磁仿真和热仿真耦合。

2.2.2 铜耗

铜耗本质为欧姆损耗，其主要由定子绕组的电阻发热产生，其与流经定子绕组电流的平方及电阻成正比关系，可以按照以下公式计算：

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（1.2）

上式中：𝑷𝑪𝒖为定子绕组铜耗（W）

    𝑰为定子绕组相电流（A）

   𝐑为定子绕组相电阻（Ω）

本文电机模型较小，其中铜量较少，故集肤效应产生的额外损耗并不大，忽略其影响。

2.2.3 机械损耗

机械损耗主要包括轴承损耗和转子风摩擦损耗。这些损耗一般都比较难精确计算，当前处理方式是按照经验公式对其进行求解。

2.3 对流换热系数计算

本文中对电机模型进行了简化，发热元件主要为定子、转子和绕组，并且计算中转子保持静止；而实际工况中转子转动带动电机内部空气运动，大大增强了元件表面对流换热。因此，在文本的计算模型中，需要对其表面进行对流换热补偿及转动空气进行有效导热系数计算，以平衡其静止带来的影响。其主要元件表面对流换热系数计算如下：

2.3.1 空气有效导热系数

电机工作时，其中空气在高速转动，增强了流固表面的对流换热，同时也对自身导热系数产生了影响。将空气域视为静止，其有效导热系数按照如下方法计算：

(1.3)

(1.4)

上式中：𝑹𝒆𝒈为气隙中空气雷诺数

 𝑹𝒆𝟎为临界雷诺数

 𝝑𝒓为转子圆周速度（m/s）

 𝛅为转子定子之间间隙厚度(m)

 𝒗𝒂为空气运动粘度(m2/s)

 𝒏为转子转速(r/min)

 𝑹𝟐为定子内半径(m)

 𝑹𝟑为转子半径(m)

当𝑹𝒆𝒈<𝑹𝒆𝟎时，电机内空气流处于层流状态，其散热系数与转子转速没有直接相关性，气隙中空气和转定子之间的热交换可视为热传导，其有效导热系数（𝝀𝒆𝒇）即为空气导热系数（𝝀𝒂𝒊𝒓），即：

(1.5)

当时，电机内部空气为湍流，其与定转子之间的换热不能视为纯导热，有效导热系数按照如下公式计算：

(1.6)

2.3.2 电机端部元件对流换热系数

电机高速旋转时，转定子和绕组端部均与空气产生很强界面相对运动，其表面对流换热系数和静止是有很大差别，故需要对其进行修正，相关计算方法按照经验公式，具体如下：

定子绕组端部换热系数：

(1.7)

上式中：𝑵𝒖𝒕为绕组端部努赛尔数

 𝑹𝒆𝒕为绕组端部雷诺数

  𝑹𝟏为定子外半径(m)

定子端部换热系数：

(1.8)

转子端部换热系数：

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(1.9)

上式中：𝑵𝒖𝒓为转子端部努赛尔数

 𝑹𝒆𝒓为转子端部雷诺数

3 电机仿真几何模型建立

3.1 仿真建模思路分析

由于实际电机结构复杂，零件较多，故对其进行相应简化，只保留转子、定子、绕组、机壳（含端盖）和冷却流道，并使用Ansys meshing进行网格划分，使用Ansys Fluent进行求解，最终得到电机整体的温度场，速度场等等数据，流程示意图如下：

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图1 仿真建模思路

3.2 电机三维模型

本文所使用的电机为水冷电机，其冷却流道直接位于机壳之中，进出口分别与压力泵相连，形成一个冷却液流动回路，不断对电机进行冷却。为了减少计算量，将端盖和机壳合并，转子和轴合并，其三维模型如下：

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3.3 电机网格划分

电机模型较为复杂，使用Ansys Meshing对其进行网格划分，主要采用四面体非结构网格，流道采用边界层网格划分。各不同材料接触面通过interface来连接，大大减小了网格生成难度和数量，主要网格划分参数如下：

4 电机仿真计算参数

4.1 边界条件参数

通过上文对于电机损耗的分析，结合电机相关设计参数计算得电机在额定功率18KW不同工况下的损耗如表3所示（为简化计算，将机械损耗直接计入转子损耗中），另外定子体积为3.699×10-4m，转子体积为5.248×10-4m(加入了轴的体积作为机械损耗修正)，绕组体积为1.557×10-4m：

根据表1可知，定子外半径为65mm，内半径为43mm，转子外半径为42.5mm，空气间隙厚度为5×10-4m；通过查询可知，空气运动粘度为1.48×10-5m2/s，导热系数0.023w/(m.k)，带入式1.3-1.9进行计算，得到相应的流动参数和热边界参数，如表4所示：

4.2 元件材料物性属性

电机各部件材料均不相同，发热元件通过不同材料的之间热传导和空气之间对流换热不断向外传递热量，使得自身温度保持在一定范围，其物性参数如表5所示：

4.3 冷却系统

电机主要靠液冷系统不断循环带走热量，保持在正常工作范围内，本文的液冷系统及环境温度如表6所示。进口管内径为12mm，雷诺数如下，流道内流动均为湍流。设计3个流量工况，在分析元件本身温度分布的基础上，研究流量对于此电机散热的影响。

5 仿真流程设置

5.1 物理模型设置

电机内部包含冷却液和空气流动以及各部件间的相互换热，故需开启能量方程和流动方程，选择使用模型，如图8、9所示。为快速获得可用数据，本文采用稳态计算方法进行电机仿真。

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 5.2 材料创建及产热源项设置

电机各元件材料均不相同，不同导热系数对元器件之间的传热起着关键作用，在计算之前需要设置不同元件的材料属性，如图10所示。元件的产热功率需要设置为体积产热率即w/m3,如图11所示。

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图10 材料属性设置

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图11 发热功率设置

5.3 边界条件设置

本文电机使用液冷系统进行散热，对于冷却液进出口均需进行边界设置，进口为流量进口，出口为压力出口，如图12、13所示。定子端面、绕组端部和转子端部均按照对流换热边界处理，换热系数如表4所示；其他和空气相接触的面均按照流固耦合界面(coupled)处理，如图14所示。

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图12 进口边界设置     图13 出口边界设置

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图14 耦合边界设置

6 仿真结果分析

图15是三种工况下定子温度分布云图，可以看出定子高温区集中在内部和转子接近的区域；这是由于转子外径表面直接和机壳相接触，具有良好的换热条件（换热面积大、距离冷源近），其温度相对较低，而对于转子内端的区域，其结构上导热面积缩小且距离边长，故导热变弱，温度较高。三种工况最高温度相差不大，均在124℃左右，并且随着冷却液流量的增加，最高温度降低值逐渐变小，说明加大流量对于冷却能力的提升效果越来越小，需要从其他方面提高冷却效果。

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图15 定子温度分布

图16是三种工况下的绕组温度分布云图，可以看出和定子外端直接接触面换热效果较好，温度保持在80℃左右，这是定子外端温度较低及换热面积较大加强了绕组外部的换热所致；对于内部铜线，其主要靠和定子内部、间隙空气之间的耦合换热，冷却环境比较恶劣，成为温度高温区；相对于绕组内圈，绕组端部由于实际工作中表面空气相对流动较剧烈，其表面对流换热系数较高，温度在105℃左右。

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图16 绕组温度分布

图17是三种工况下转子温度分布云图，其主要靠外部面和气隙之间的耦合换热以及导热给电机轴来进行冷却，冷却效果较差，温度为本文使用电机元件中最高，达到145℃左右，需要进行相应优化设计，加强换热，如在转子内部增加换热风道等。

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图17 转子温度分布

图18和19分别是三种工况下机壳和冷却水道的温度分布，水道进口处温度较低，随着流动进行，冷却液温度不断升高，形成了图示温度分布。可以看出，出口处温度较高，导致所对应的元器件冷却效果变差，故对于流道可进行优化以提高冷却能力。

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图18 机壳温度分布

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图19 空气域温度分布

图20是空气域温度分布云图，ANSYS从入门到精通文档下载由于两端直接和机壳相接触，故其温度较低；中部定子和转子之间的间隙由于其处于两大发热源之间且导热路径较少（通过空气自身热传导和定子面耦合换热），成为空气高温区。对于电机设计，合理的气隙厚度直接影响定转子的换热，需要合理的设置。

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图20 空气域温度分布

7 总结

本文选取了某水冷电机，对其运行损耗、热边界参数等进行了深入研究，并运用Ansys建立了其三维热仿真模型，对其进行了全模型热分析，得到了电机相关工况下的温度场分布；同时研究了不同进口流量条件下，电机冷却性能的提升情况。仿真表明：随着冷却液进口流量的提高，最高温度降低值越来越小，带来的冷却能力收益越来越小，因此需要选择合适的进口参数；另外，转子和定子间的气隙厚度直接影响了电机内部的传热，需要通过仿真多次计算，确定合理值。综上所述：本文建立了对电机热仿真的全流程，对其关键参数均提出了有效计算方法，为电机热设计提供了重要参考。