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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源,是電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)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(shí)產(chǎn)生的熱損耗會(huì)引起電機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的溫度升高,溫升過高或者局部溫升過高,會(huì)影響到電機(jī)的安全性,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)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(huì)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(jì)分析結(jié)果,據(jù)此可對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)道設(shè)計(jì)、器件布局、風(fēng)扇選型、散熱器設(shè)計(jì)等提供直觀而準(zhǔn)確的依據(jù),從而大大加快熱設(shè)計(jì)的速度并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
本文以某風(fēng)冷電機(jī)為例,使用AcuSolve軟件對(duì)電機(jī)在自然風(fēng)冷的試驗(yàn)臺(tái)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(jiǎn)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(gè)工況下的電機(jī)溫升。其中,工況一為實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的條件,對(duì)應(yīng)的是自然對(duì)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(duì)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(jiǎn)化,簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǎng)的網(wǎng)格劃分在前處理軟件HyperMesh中完成。對(duì)電機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)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?紤]到電機(jī)定轉(zhuǎn)子間氣隙較小,對(duì)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(chǎng)空氣動(dòng)力學(xué)分析的要求建立,來流方向的總長(zhǎng)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(gè)散熱過程的計(jì)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(kù),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(duì)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(duì)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(gè)流動(dòng)換熱的過程做瞬態(tài)分析。然而,流動(dòng)和傳熱的時(shí)間特征尺度并不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。事實(shí)上,捕捉流動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間步長(zhǎng)遠(yuǎn)小于捕捉熱傳遞現(xiàn)象的時(shí)間步長(zhǎng),而熱傳遞達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的物理時(shí)間又比流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)很多,因此兩者在時(shí)間步長(zhǎng)和物理時(shí)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(dòng)狀態(tài)而選擇較小的時(shí)間步長(zhǎng),同時(shí)根據(jù)要求考察2小時(shí)內(nèi)的部件溫升曲線,那么總的計(jì)算步數(shù)將達(dá)到107的級(jí)別。在硬件資源有限的情況下,這樣的計(jì)算規(guī)模是無法保證在短時(shí)間內(nèi)得到對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)有指導(dǎo)意義的結(jié)果的。
針對(duì)此類問題最有效的分析策略就是流動(dòng)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(duì)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。第二步,將穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的收斂結(jié)果映射到模型中作為流場(chǎng)的初始條件,并凍結(jié)流動(dòng)的計(jì)算(即不求解N-S方程組),通過能量方程求解整個(gè)模型(包含流體、固體)的溫度場(chǎng)。這樣的解耦計(jì)算方法,有效地解決了上述時(shí)間步長(zhǎng)不統(tǒng)一的問題。
2.4.1 電機(jī)自然對(duì)流冷卻
本文首先進(jìn)行了電機(jī)外部在自然對(duì)流作用下的零部件溫升仿真。這個(gè)工況符合實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的條件,并且有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比。自然對(duì)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(duì)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(chǎng)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(jì)算,對(duì)模型中的轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎng)計(jì)算的收斂性能極佳,收斂后的流場(chǎng)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(jì)算不再求解流動(dòng)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(duì)流時(shí),不需要建立虛擬風(fēng)洞,而是在外殼表面設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)及外部空氣的參考溫度這種簡(jiǎn)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(jì)算時(shí)間;缺點(diǎn)在于外殼的每個(gè)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(duì)流的情況。如果外部的流場(chǎng)有明顯的方向性,即外殼的不同部位對(duì)流換熱的能力均不同,那么對(duì)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(chǎng)虛擬風(fēng)洞(2.4.2)。
即使對(duì)于自然對(duì)流的問題,電機(jī)外壁面的對(duì)流換熱系數(shù)也是一個(gè)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(duì)流的對(duì)流換熱系數(shù)在5-25W/(m2*K)這個(gè)區(qū)間內(nèi)。經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)標(biāo),最終確定該算例的對(duì)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(tái)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(chǎng)中的自然對(duì)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(duì)應(yīng)的發(fā)射率,軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)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(duì)流冷卻
加入電機(jī)外流場(chǎng)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(chǎng)分析,此工況的流場(chǎng)包括外流場(chǎng)和電機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)兩部分。外流場(chǎng)為長(zhǎng)方體的虛擬風(fēng)洞,參照整車外流場(chǎng)空氣動(dòng)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(shí)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(chǎng)計(jì)算的收斂結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初始條件。
與自然對(duì)流的換熱機(jī)理不同,強(qiáng)制對(duì)流占主導(dǎo)的換熱過程中,自然對(duì)流和輻射的效應(yīng)均可以忽略不計(jì)。由于建立了外流場(chǎng),電機(jī)外殼壁面的對(duì)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(jì)算迭代的過程中自動(dòng)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(duì)流換熱效應(yīng)。事實(shí)上,從計(jì)算結(jié)果中也能看出,電機(jī)外殼的對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)的差別。這種差異最終會(huì)體現(xiàn)在各固體部件的溫度分布中。
3 計(jì)算結(jié)果
3.1 電機(jī)外部自然風(fēng)冷計(jì)算結(jié)果
計(jì)算完成后,采用AcuSolve的后處理模塊AcuProbe和AcuFieldView對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化的后處理和定量對(duì)比分析。其中,AcuProbe經(jīng)常用于提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)面的各物理量的時(shí)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(shí)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(cè)得的結(jié)果包括繞組端部的溫升曲線,因此在計(jì)算模型中布置了與溫度傳感器位置一致的監(jiān)測(cè)點(diǎn),采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的仿真數(shù)據(jù),用于和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)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(shì)極為吻合,隨著時(shí)間推移,繞組溫度不斷上升,最終將到達(dá)一個(gè)穩(wěn)態(tài)溫度。每一時(shí)刻的絕對(duì)溫度的仿真、實(shí)驗(yàn)對(duì)比,相對(duì)誤差在工業(yè)接受的范圍之內(nèi),整個(gè)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?梢杂^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(duì)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(tái)工況,同時(shí)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(xiǎn),因此在散熱設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)重要的設(shè)計(jì)考量指標(biāo)。首先需要判斷外流場(chǎng)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(píng)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(shí),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(duì)流相較于自然對(duì)流工況而言,冷卻的效果更明顯的原因之一。
圖3.4 外流場(chǎng)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(duì)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(duì)電機(jī)自然風(fēng)冷的試驗(yàn)臺(tái)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(xiǎn)。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(duì)電機(jī)核心部件的最高溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),有效降低了電機(jī)系統(tǒng)的散熱風(fēng)險(xiǎn)。
仿真計(jì)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(duì)標(biāo)得到了廣泛的驗(yàn)證。AcuSolve針對(duì)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(shí)間的同時(shí),確保了計(jì)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(duì)電機(jī)自然風(fēng)冷的試驗(yàn)臺(tái)工況進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)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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