1 引言

    隨著能源危機(jī)的不斷加劇和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，電動汽車將成為替代傳統(tǒng)燃油汽車的主要交通工具。電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的動力源，是電動汽車動力系統(tǒng)的核心。隨著電機(jī)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、自控技術(shù)的飛速發(fā)展和更加完美的結(jié)合，電動汽車的車用電機(jī)必將發(fā)展成為可靠、易維護(hù)、低成本、高效率、寬調(diào)速、高功率密度和高集成度的智能電機(jī)。電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的熱損耗會引起電機(jī)內(nèi)部各個部件的溫度升高，溫升過高或者局部溫升過高，會影響到電機(jī)的安全性，嚴(yán)重時會使整個定子燒毀，或者使定子繞組絕緣損壞而引起股間短路，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。相反，如果溫升過低，又會造成材料浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。因此，解決系統(tǒng)的散熱問題，開發(fā)效率高、成本低、重量輕的散熱結(jié)構(gòu)，逐漸成為電機(jī)開發(fā)過程中的重點(diǎn)項(xiàng)目。而隨著CFD技術(shù)的發(fā)展及其在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得熱仿真技術(shù)已經(jīng)成為散熱系統(tǒng)前期開發(fā)和初步驗(yàn)證的重要工具。借助熱仿真分析軟件，工程師可以快速而準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)的熱設(shè)計分析結(jié)果，據(jù)此可對系統(tǒng)的風(fēng)道設(shè)計、器件布局、風(fēng)扇選型、散熱器設(shè)計等提供直觀而準(zhǔn)確的依據(jù)，從而大大加快熱設(shè)計的速度并提高設(shè)計質(zhì)量。

    本文以某風(fēng)冷電機(jī)為例，使用AcuSolve軟件對電機(jī)在自然風(fēng)冷的試驗(yàn)臺工況和強(qiáng)制風(fēng)冷的真實(shí)車載工況分別進(jìn)行了熱仿真分析。

2 有限元模型的建立

2.1 模型簡化

    本文分別研宄了風(fēng)冷電機(jī)在自然風(fēng)冷和車載風(fēng)速40km/h這兩個工況下的電機(jī)溫升。其中，工況一為實(shí)驗(yàn)臺測試的條件，對應(yīng)的是自然對流的散熱情況；工況二為電機(jī)真實(shí)工作的條件，屬于強(qiáng)制對流散熱。電機(jī)內(nèi)部零部件較多且裝配關(guān)系較復(fù)雜，因此將電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，簡化后的模型見圖2.1。為了考察在車載工作狀態(tài)下的電機(jī)散熱情況，建立了實(shí)車的簡化模型，與電機(jī)進(jìn)行裝配，裝配效果見圖2.2。

    圖2.1 電機(jī)簡化模型

    圖2.2 整車裝配模型

2.2 網(wǎng)格劃分

    電機(jī)模型及內(nèi)外部流場的網(wǎng)格劃分在前處理軟件HyperMesh中完成。對電機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行精細(xì)建模，用較小的網(wǎng)格尺寸捕捉流道內(nèi)不可忽略的幾何特征。考慮到電機(jī)定轉(zhuǎn)子間氣隙較小，對定轉(zhuǎn)子間氣隙網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。近壁區(qū)域邊界層數(shù)設(shè)為5層，第一層邊界層厚度為0.02mm，以保證壁面y+值接近1。虛擬風(fēng)洞按照外流場空氣動力學(xué)分析的要求建立，來流方向的總長度為車身的10倍，上游和下游的比例大致為3:7;截面阻塞比控制在2.5%左右。如圖2.3與圖2.4所示，車身及電機(jī)周圍分別進(jìn)行了不同程度的局部加密，整體網(wǎng)格總數(shù)為239萬。

    圖2.3 整體網(wǎng)格示意圖

    圖2.4 電機(jī)周圍網(wǎng)格不意圖

2.3 材料屬性

    不同部件的材料屬性，尤其是熱傳導(dǎo)率，在整個散熱過程的計算中起到了十分重要的作用，因此需要正確定義。在AcuSolve中，除了內(nèi)置的材料庫，還可自定義材料列表。表2.1為電機(jī)模型中所涉及的材料列表，需分別查閱其對應(yīng)的物理屬性并輸入到軟件中。

    表2.1 各部件材料屬性

2.4 求解策略

    本文的分析目標(biāo)之一是對比在自然風(fēng)冷的工況下，各部件的仿真溫升曲線和實(shí)驗(yàn)溫升曲線，以此驗(yàn)證建模的合理性，并進(jìn)一步應(yīng)用到考慮環(huán)境風(fēng)速的車載工況中。因此需要將整個流動換熱的過程做瞬態(tài)分析。然而，流動和傳熱的時間特征尺度并不是一個數(shù)量級的。事實(shí)上，捕捉流動狀態(tài)的時間步長遠(yuǎn)小于捕捉熱傳遞現(xiàn)象的時間步長，而熱傳遞達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的物理時間又比流動達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間長很多，因此兩者在時間步長和物理時間這兩項(xiàng)上很難做到統(tǒng)一。換言之，如果為了正確模擬流動狀態(tài)而選擇較小的時間步長，同時根據(jù)要求考察2小時內(nèi)的部件溫升曲線，那么總的計算步數(shù)將達(dá)到107的級別。在硬件資源有限的情況下，這樣的計算規(guī)模是無法保證在短時間內(nèi)得到對產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)有指導(dǎo)意義的結(jié)果的。

    針對此類問題最有效的分析策略就是流動和傳熱的分步求解。具體來說，第一步是在不考慮傳熱效應(yīng)的前提下，對流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算。第二步，將穩(wěn)態(tài)流場的收斂結(jié)果映射到模型中作為流場的初始條件，并凍結(jié)流動的計算（即不求解N-S方程組），通過能量方程求解整個模型（包含流體、固體）的溫度場。這樣的解耦計算方法，有效地解決了上述時間步長不統(tǒng)一的問題。

2.4.1 電機(jī)自然對流冷卻

    本文首先進(jìn)行了電機(jī)外部在自然對流作用下的零部件溫升仿真。這個工況符合實(shí)驗(yàn)臺測試的條件，并且有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對比。自然對流占主導(dǎo)的散熱過程中，輻射散熱的貢獻(xiàn)量也不可忽略，需要綜合考慮固體內(nèi)的熱傳導(dǎo)、固體和流體之間的共軛傳熱、流體的自然對流換熱和輻射換熱等熱傳遞的途徑。

    根據(jù)上文中介紹的分步求解的策略，首先進(jìn)行電機(jī)內(nèi)流場的穩(wěn)態(tài)分析，選擇S-A—方程RANS湍流模型，并采用默認(rèn)的低雷諾數(shù)壁面函數(shù)。由于是穩(wěn)態(tài)計算，對模型中的轉(zhuǎn)動體（電機(jī)轉(zhuǎn)子）采用多重參考坐標(biāo)系（MRF)的方法即可，轉(zhuǎn)速為3500RPM。穩(wěn)態(tài)流場計算的收斂性能極佳，收斂后的流場結(jié)果作為瞬態(tài)熱仿真的初始速度、壓強(qiáng)條件；初始溫度設(shè)置為60°C。瞬態(tài)計算不再求解流動方程，在AcuSolve中選擇凍結(jié)Flow和Turbulence的選項(xiàng)，取而代之的是激活溫度方程的求解選項(xiàng)。

    需要注意的是，當(dāng)電機(jī)的外部冷卻方式為自然對流時，不需要建立虛擬風(fēng)洞，而是在外殼表面設(shè)置對流換熱系數(shù)及外部空氣的參考溫度這種簡化的方法即可，這也是行業(yè)內(nèi)比較普遍的建模方式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于大幅降低了網(wǎng)格規(guī)模，節(jié)省計算時間；缺點(diǎn)在于外殼的每個節(jié)點(diǎn)的約束條件相同，無法精準(zhǔn)模擬換熱性能的分布效應(yīng)，因此只適用于自然對流的情況。如果外部的流場有明顯的方向性，即外殼的不同部位對流換熱的能力均不同，那么對流換熱系數(shù)在空間中就不再是常數(shù)，這種情況下推薦建立外流場虛擬風(fēng)洞（2.4.2)。

    即使對于自然對流的問題，電機(jī)外壁面的對流換熱系數(shù)也是一個需要進(jìn)行試算調(diào)整的重要參數(shù)，一般來說物體在空氣中自然對流的對流換熱系數(shù)在5-25W/(m2*K)這個區(qū)間內(nèi)。經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對標(biāo)，最終確定該算例的對流換熱系數(shù)為5W/(m2*K)，參考的環(huán)境溫度為60°C，符合試驗(yàn)臺的真實(shí)溫度條件。另外，將空氣的密度模型選為Boussinesq，并綜合考慮空氣的重力來模擬電機(jī)的內(nèi)部流場中的自然對流效應(yīng)。電機(jī)模型中的體熱源有定子繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、轉(zhuǎn)子鐵芯和軸承，需要換算單位體積的發(fā)熱功率并輸入軟件中。AcuSolve中的面與面輻射模型為基于半球體算法的灰體封閉輻射模型，只需設(shè)置不同材料對應(yīng)的發(fā)射率，軟件會自動計算視角因子，并在熱仿真的過程中估算輻射熱流。

2.4.2 電機(jī)強(qiáng)制對流冷卻

    加入電機(jī)外流場可以準(zhǔn)確模擬電機(jī)車載環(huán)境中的真實(shí)散熱情況。同樣地，首先采用穩(wěn)態(tài)流場分析，此工況的流場包括外流場和電機(jī)內(nèi)部流場兩部分。外流場為長方體的虛擬風(fēng)洞，參照整車外流場空氣動力學(xué)分析的建模方式，汽車模型迎風(fēng)放置，入口設(shè)置成Inflow邊界條件，風(fēng)速為40km/h;出口為Outflow邊界條件；風(fēng)洞上壁與左右側(cè)壁均為Slip邊界條件；地面為Wall，需要注意的是，處理模型和網(wǎng)格時要將車輪和地面做成面接觸。同2.4.1中的分析流程一樣，將穩(wěn)態(tài)流場計算的收斂結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初始條件。

    與自然對流的換熱機(jī)理不同，強(qiáng)制對流占主導(dǎo)的換熱過程中，自然對流和輻射的效應(yīng)均可以忽略不計。由于建立了外流場，電機(jī)外殼壁面的對流換熱系數(shù)就不再需要作為邊界條件去設(shè)置了，而是在計算迭代的過程中自動求得，因此能更精準(zhǔn)地模擬電機(jī)和外部環(huán)境空氣的對流換熱效應(yīng)。事實(shí)上，從計算結(jié)果中也能看出，電機(jī)外殼的對流換熱系數(shù)在空間分布中并不是常數(shù)，迎風(fēng)面處的最大值和背風(fēng)面處的最小值有2個數(shù)量級的差別。這種差異最終會體現(xiàn)在各固體部件的溫度分布中。

3 計算結(jié)果

3.1 電機(jī)外部自然風(fēng)冷計算結(jié)果

    計算完成后，采用AcuSolve的后處理模塊AcuProbe和AcuFieldView對計算結(jié)果進(jìn)行可視化的后處理和定量對比分析。其中，AcuProbe經(jīng)常用于提取各監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測面的各物理量的時間歷程，比如瞬態(tài)熱分析中的溫升曲線；AcuFieldView可以提供特定時刻下各截面或邊界面上各物理量的可視化結(jié)果，比如截面的溫度云圖。前期實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果包括繞組端部的溫升曲線，因此在計算模型中布置了與溫度傳感器位置一致的監(jiān)測點(diǎn)，采集監(jiān)測點(diǎn)上的仿真數(shù)據(jù)，用于和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，見圖3.1。仿真得到的溫升曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢極為吻合，隨著時間推移，繞組溫度不斷上升，最終將到達(dá)一個穩(wěn)態(tài)溫度。每一時刻的絕對溫度的仿真、實(shí)驗(yàn)對比，相對誤差在工業(yè)接受的范圍之內(nèi)，整個仿真的精度是可靠的。

    圖3.1 繞組溫升變化情況

    溫升變化趨于穩(wěn)定后的電機(jī)內(nèi)部某截面溫度分布如圖3.2所示。可以觀察到，電機(jī)的繞組和轉(zhuǎn)子的溫度較高，電機(jī)外殼溫度呈現(xiàn)中間高兩端低的溫度梯度。最高溫度都已達(dá)到500K，即227°C，超過的電機(jī)絕緣耐溫上限180°C，說明電機(jī)僅在外部自然對流的作用下很容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。電機(jī)內(nèi)部流體速度分布如圖3.3所示，靠近轉(zhuǎn)子壁面的空氣流速較高，換熱也較為強(qiáng)烈。此工況為實(shí)驗(yàn)臺工況，同時也是電機(jī)工作的極限工況，仿真和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)均表明了電機(jī)在極限工況下溫度超標(biāo)的潛在危險，因此在散熱設(shè)計上還有優(yōu)化的空間。

    圖3.2 電機(jī)某內(nèi)部截面的溫度云圖

    圖3.3 電機(jī)內(nèi)部速度分布

3.2 電機(jī)外部強(qiáng)制風(fēng)冷計算結(jié)果

    電機(jī)在真實(shí)車載工況下的各部件溫升情況也是一個重要的設(shè)計考量指標(biāo)。首先需要判斷外流場速度分布（圖3.4及圖3.5)的合理性，通過截面速度矢量圖可做出直觀的評判。來流經(jīng)過車身形成的高速區(qū)、低速區(qū)、尾流區(qū)等均被合理地捕捉到，從側(cè)面驗(yàn)證了網(wǎng)格和其他建模參數(shù)的可靠性。同時，可以觀察到電機(jī)周圍空氣湍流較為強(qiáng)烈，這也是強(qiáng)制對流相較于自然對流工況而言，冷卻的效果更明顯的原因之一。

    圖3.4 外流場流速分布圖

    圖3.5 電機(jī)周圍流速分布圖

    通過觀察電機(jī)內(nèi)部截面的溫度分布（如圖3.6所示），可以發(fā)現(xiàn)相對外部自然風(fēng)冷，電機(jī)外殼及定子的溫度有了明顯下降，高溫區(qū)集中在轉(zhuǎn)子鐵芯，最高溫度在397K，即124°C，未超過的電機(jī)絕緣耐溫上限180°C。結(jié)果表明，電機(jī)在車載環(huán)境中，在環(huán)境風(fēng)的作用下，散熱能力呈現(xiàn)出明顯的提升。

    圖3.6 電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度云圖

4 分析與結(jié)論

    本文采用AcuSolve對電機(jī)自然風(fēng)冷的試驗(yàn)臺工況和強(qiáng)制風(fēng)冷的真實(shí)車載工況進(jìn)行了仿真。在試驗(yàn)極限工況下，電機(jī)自然風(fēng)冷的穩(wěn)態(tài)最高溫度預(yù)估值為227°C，超過了電機(jī)絕緣耐溫上限180°C，有潛在的材料失效風(fēng)險。這主要是由于在自然風(fēng)冷的狀態(tài)下，目前的散熱結(jié)構(gòu)無法有效地將電機(jī)工作產(chǎn)生的熱量驅(qū)散到周圍的空氣域中；而在車載環(huán)境中，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)最高溫度僅為124°C，未超過的電機(jī)絕緣耐溫上限180°C。使用AcuSolve可以對電機(jī)核心部件的最高溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，有效降低了電機(jī)系統(tǒng)的散熱風(fēng)險。

    仿真計算的精度通常由求解器精度、物理模型精度和網(wǎng)格建模精度三者共同決定。AcuSolve作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的基于有限單元法的CFD求解器，其算法精度已通過與大量標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)對標(biāo)得到了廣泛的驗(yàn)證。AcuSolve針對內(nèi)置的湍流模型、輻射模型等物理模型，提供了基于經(jīng)驗(yàn)的智能選項(xiàng)，在省去了用戶的摸索時間的同時，確保了計算結(jié)果的可靠性和精確性。因此，基于真實(shí)產(chǎn)品的仿真精度主要受建模精度的影響，這也是本文針對電機(jī)自然風(fēng)冷的試驗(yàn)臺工況進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對標(biāo)的目的。如本文中的結(jié)果展示，仿真與實(shí)驗(yàn)得到的繞組溫升曲線呈現(xiàn)了良好的一致性，因此這套針對電機(jī)的建模規(guī)范可以被固化下來，用于后續(xù)其他工況的仿真。

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本文標(biāo)題：AcuSolve在電機(jī)熱仿真中的應(yīng)用

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