1、Page 1轴流风扇电机性能模拟及散热优化设计轴流风扇电机性能模拟及散热优化设计 单位：单位：参赛人员：参赛人员：Page 2某知名汽车品牌轴流风扇某知名汽车品牌轴流风扇 Page 3目录目录一、课题背景 电机设计参数 电机性能仿真二、电机性能分析 有限元分析电机温度分布三、电机温度场分析 优化方案 模拟分析 结论四、电机散热优化设计五、结论及展望Page 4一、课题背景一、课题背景A/C CondenserRadiatorElectric CoolingFan ModuleEngine Shroud轴流冷却风扇用于发动机的冷却系统和空调系统等的水箱、冷凝器等的风冷散热轴流冷却风扇用于发动机的
2、冷却系统和空调系统等的水箱、冷凝器等的风冷散热Page 5一、课题背景一、课题背景 按照电机数量分为按照电机数量分为:.按照装配位置分为按照装配位置分为:.按照电机调速方式可以分为按照电机调速方式可以分为:.Page 6一、课题背景一、课题背景现状描述：由于日趋激烈的竞争环境及客户对项目进度的要求越来越高，需要零配件企业尽快拿出解决方案，Ansoft软件可以快速模拟出电机输出特性，有利于设计人员及时调整方案，大大节省了反复制作样机的时间，使得开发周期大大缩短。同时，电机温升过高会严重影响电机的性能，出现高温退磁及零件快速老化等不利因素，如何快速模拟电机温度场并优化电机散热结构显得至关重要。评价
3、指标评价指标经验公式经验公式ANSOFTANSOFT试验试验电机几何复杂程度简单不限不限对经验参数的依赖完全依赖不完全依赖不依赖预测成本最低较低最高预测周期最短较短最长预测信息量很少最详细较多预测可靠性最差较好最好Page 7电机设计参数电机设计参数额定指标额定指标额定功率母线电压极数额定转速电刷压降xxxWxxVxxxxxrpmx.xV定子冲片及槽型结构定子冲片及槽型结构转子槽数：xx转子外径:xxmm转子内径：xxmm转子槽尺寸：xxxxxxx轴向长度（叠厚）：xxmm叠压系数：x.xx硅钢片牌号：xxxx二、电机性能分析二、电机性能分析直流有刷电机图示直流有刷电机图示Page 8绕组连接
4、方式绕组连接方式绕组形式:叠绕组复倍系数:x虚槽数：x每槽导体数：xx绕组跨距：x并绕根数：x绕组线径：xxmm绕组双边绝缘厚度：xxx定子冲片及磁钢尺寸定子冲片及磁钢尺寸换向器及电刷参数换向器及电刷参数气隙厚度：xxmm定子外径：xxmm定子内径：xx7mm轴向长度：xxmm叠压系数：x机壳牌号：x极弧系数：x永磁体厚度：xxmm磁钢牌号：x磁钢剩磁：xT磁钢矫顽力：x换向器类型：xxxxxx换向器直径：xxmm换向器长度：xxxmm换向器片间绝缘：xxmm电刷宽度：xxmm电刷长度：xxxxxmm电刷对数：x电刷角度偏移：x电刷压降：xV电刷压力：xg/mm摩擦系数：x二、电机性能分析二、
5、电机性能分析绕组连接方式图示绕组连接方式图示Page 9电机模型电机模型二、电机性能分析二、电机性能分析几何创建几何创建网格划分边界条件设置求解结果分析定子外径：xmm转子外径:xmm叠厚：xmm气隙：xmm极数：xx极槽数:x槽绕线方式:xPage 10几何创建网格划分网格划分边界条件设置求解结果分析二、电机性能分析二、电机性能分析On Selection 剖分设置：基于单元长度设置 三角形单元格 气隙处加密设置Page 11几何创建网格划分边界条件设边界条件设置置求解求解结果分析二、电机性能分析二、电机性能分析主从边界条件：Master/Slave Boundary狄里克莱边界条件：Vec
6、tor Potential BoundaryPage 12几何创建网格划分边界条件设置求解结果分析结果分析电机静态场分析结果（磁力线、磁密分布）电机静态场分析结果（磁力线、磁密分布）u磁力线分布磁力线分布u磁密分布磁密分布二、电机性能分析二、电机性能分析Page 13电机静态场分析结果（路径查看）电机静态场分析结果（路径查看）u气隙磁密气隙磁密u转子轭部磁密转子轭部磁密u定子轭部磁密定子轭部磁密u齿部磁密齿部磁密二、电机性能分析二、电机性能分析Page 14电机瞬态场分析结果电机瞬态场分析结果ut=x时磁密分布时磁密分布ut=x时磁力线分布时磁力线分布u输出转矩随时间变化输出转矩随时间变化二、
7、电机性能分析二、电机性能分析Page 15电机模拟性能电机模拟性能&测试性能对比测试性能对比结论：结论：对比仿真结果与实验测试结果，仿真结果可靠性较高，数值结果和相对精度可以满足工程需要仿真设计方法可节约开发周期，在更大程度上减少设计结果对设计人员经验的依赖性，有利于我公司掌握电机性能的数值模拟和优化分析。Simulation二、电机性能分析二、电机性能分析Page 16三、电机温度场模拟分析三、电机温度场模拟分析几何创建几何创建网格划分网格划分边界条件设置求解结果分析 Ansoft软件不仅可以模拟电机各性能参数，同时可以模拟电机损耗，作为电机温度场模拟的输入参数。Page 17几何创建网格划
8、分边界条件设边界条件设置置求解求解结果分析铜耗铜耗W铁耗铁耗W摩擦损耗摩擦损耗W电刷损耗电刷损耗W总损耗总损耗WCopper LossIron core LossFrictional&Windage LossBrush LossTotal Lossxxxxx环境温度：环境温度：x度度三、电机温度场模拟分析三、电机温度场模拟分析 Ansoft软件不仅可以模拟电机各性能参数，同时可以模拟电机损耗，作为电机温度场模拟的输入参数。Page 18几何创建网格划分边界条件设置求解结果分析结果分析机壳温度分布机壳温度分布刷盆温度分布刷盆温度分布温度超出安全范围值时，温度超出安全范围值时，热保护器即跳开。热保
9、护器即跳开。三、电机温度场模拟分析三、电机温度场模拟分析Page 19现状描述：由于整车装配中风扇的安装空间越来越小，但性能要求越来越高，电机功率增大，体积减小，发热问题严重。针对电机发热情况，在风叶轮毂处开孔，使更多气流进入轮毂内部对电机散热。四、电机散热优化四、电机散热优化Page 20导叶导叶加强筋加强筋环形渐扩结构环形渐扩结构散热优化方案：1.2.3.四、电机散热优化四、电机散热优化Page 21几何创建几何创建网格划分边界条件设置求解结果分析Inlet DomainOutlet DomainRotate Domain为评估开孔散热影响，需模拟流场及温度场状态，进行定性分析。旋转区叶尖
10、与壁面保留旋转区叶尖与壁面保留x间隙间隙四、电机散热优化四、电机散热优化Page 22几何创建网格划分网格划分边界条件设置求解结果分析为避免因为网格密度不足而造成计算不可靠的影响，对计算域进行加大网格密度的验证，对不同为避免因为网格密度不足而造成计算不可靠的影响，对计算域进行加大网格密度的验证，对不同网格数量下的风叶进行模拟，误差基本可以忽略，说明该网格密度足够，其计算结果是可靠的。网格数量下的风叶进行模拟，误差基本可以忽略，说明该网格密度足够，其计算结果是可靠的。风叶旋转区进行局部加密风叶旋转区进行局部加密四、电机散热优化四、电机散热优化Page 23几何创建网格划分边界条件设边界条件设置置
11、求解结果分析主要边界条件及参数设置如下：主要边界条件及参数设置如下：湍流模型选用湍流模型选用x模型；模型；采用旋转坐标系的方法，设置计算域转速为技术要求的工作转速采用旋转坐标系的方法，设置计算域转速为技术要求的工作转速xr/min；取参考压力为取参考压力为xPa，设定变量为进口质量流量，设定变量为进口质量流量-出口静压；出口静压；进口气流为常温大气；进口气流为常温大气；电机处简化为恒热源处理；电机处简化为恒热源处理；收敛控制与收敛准则：求解器的时间步长设为收敛控制与收敛准则：求解器的时间步长设为“自动调整时间步自动调整时间步长长”；最大迭代次数为；最大迭代次数为x次；残差类型为均方根；前后计算
12、的残差次；残差类型为均方根；前后计算的残差余量设为余量设为x。轴流风扇轮毂散热优化轴流风扇轮毂散热优化-模拟分析Page 24几何创建网格划分边界条件设置求解求解结果分析主要监视参数为残差，收敛曲线显示收敛良好。主要监视参数为残差，收敛曲线显示收敛良好。轴流风扇轮毂散热优化轴流风扇轮毂散热优化-模拟分析流场收敛曲线流场收敛曲线传热收敛曲线传热收敛曲线Page 25几何创建网格划分边界条件设置求解结果分析结果分析气流流线图分布气流流线图分布气流经过叶片呈螺旋发散形式出流气流经过叶片呈螺旋发散形式出流优化前后方案主要区别在于轮毂处是否有气流通过优化前后方案主要区别在于轮毂处是否有气流通过四、电机散
13、热优化四、电机散热优化Page 26几何创建网格划分边界条件设置求解结果分析结果分析优化前后对比：优化前后对比：温度云图如上，两种方案电机表面及周围温度分布一致；温度云图如上，两种方案电机表面及周围温度分布一致；电机作为旋转体处于流场中心和边界初始设置，计算结果表面温度电机作为旋转体处于流场中心和边界初始设置，计算结果表面温度分布均匀；分布均匀；两种方案电机表面温度相差较少，仅两种方案电机表面温度相差较少，仅x度左右。度左右。四、电机散热优化四、电机散热优化Page 27结论：结论：轮毂优化设计可以增加通风量，降低电机温度；轮毂优化设计可以增加通风量，降低电机温度；模拟显示两种方案电机表面温度
14、分布一致，但相差较少，仅模拟显示两种方案电机表面温度分布一致，但相差较少，仅x度左右；度左右；主要存在问题：主要存在问题：网格均为四面体非结构网格，且数量可能偏少，需边界层加密后重复验证；网格均为四面体非结构网格，且数量可能偏少，需边界层加密后重复验证；电机简单作为恒热源处理，仅简单定性分析，考虑到计算量没有将电磁热分析结果导入作为电机简单作为恒热源处理，仅简单定性分析，考虑到计算量没有将电磁热分析结果导入作为初始边界条件；初始边界条件；四、电机散热优化四、电机散热优化Page 28结论：结论：本课题运用CFD方法为单级轴流风机建立了数学模型，借助ANSYS软件求解了在给定的转速条件下的风机内流场，得到了风机内流的压力分布、速度分布等气动参数，流动规律和现有理论及实际情况基本相符。同时对风罩后导叶进行了优化设计，模拟结果显示优化明显。已知风机结构尺寸和试验数据，选择合理的数值模拟方法对其内部流场进行定常计算，预测了其不同流量时的外部性能并与试验结果进行对比，验证数模模拟方法的正确性。单级风机加后导叶的风机出口旋绕速度小，可明显减小沿程流动损失，这种效果将会更加明显，风机出口全压和效率提高。展望：展望：由于条件和时间限制，边界条件并未考虑径向间隙和轴向间隙的影响；数值模拟并未对风扇的噪声进行计算，今后应当研究风扇瞬态算法的建模方法，并比较其与稳态算法的精确度差异。
