电机快速热仿真方法
集总参数热模型
集总参数热模型（Lumped Parameters Thermal Model ）是根据传热学基本定律和电路理论，将分布热源和热阻等效为少量的集中热源和热阻，为电机建立等效热路（网络）模型，通过电路理论分析求解热路模型，得到电机各部件温度的方法。热路模型中的热源为电机各部分损耗：绕组铜耗、定转子铁心的铁耗、永磁体损耗和摩擦损耗。热阻可以根据理论公式、经验公式和实验数据计算得到。这种方法优点是：模型简单、计算量小，在电机参数优化过程中能够快速地计算电机温度。
FluxMotor 和Flow Simulator耦合分析
电机快速热仿真
FluxMotor用于电机的概念设计，以较短时间进行电磁性能、散热冷却策略和结构 NVH 评估的仿真。从v2024.1版本开始，用户可以在FluxMotor模块中导出电机的集总参数热路模型，并调用一维流体CFD模块Flow Simulator求解，通常稳态温度场计算仅需十几秒。
FluxMotor 的热设计
► Step1：选择电机结构形式
Topology
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定子和转子尺寸，级数
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气隙
HOUSING（壳体冷却方式）
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机座尺寸
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散热筋布局（径向/平行）
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水冷回路（zig-zag/Solenoid/user define）
SHAFT
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主轴和轴承尺寸
► Step2：转子和定子电磁参数
Rotor
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Magnet永磁体参数
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Polarization极化参数
Stator
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Slot定子槽参数
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Winding绕组参数
► Step3：冷却参数
External 外表面冷却模式
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自然对流冷却
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强迫风冷
Internal 内表面冷却模式
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自然对流冷却
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强迫风冷
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接触热阻
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等效槽内热模型
► Step4：选择材料库
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壳体，主轴，轴承
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转子磁体
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定子绝缘，磁钢，线圈
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流体材料
► Step5：Test 虚拟测试
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用户可以根据之前步骤输入的电磁参数和热参数，进行电机的虚拟性能测试。
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Thermal根据电机运行参数分析的铁损，铜损和机械损耗进行温度场的计算。
从FluxMotor的温度场快速分析结果可以显示：
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电机能否在目标工作点运行而不会出现过热？
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不同类型的冷却是否有助于达到良好的性能？
► Step6：Export 数据导出
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在Advanced Tools工具栏中，点击Flow Simulator，导出电机的热路模型，文件包含后缀名*flo的模型数据，以及*png图片。
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用户可以在Flow Simulator中基于现有模板，进一步细化电机热路模型，提高分析精度。
► Step7：Flow Simulator中打开*flo文件，查看电机热路模型。
FluxMotor导出的电机热路模型默认从两个维度创建：轴向和径向。按区域可分为以下几组：转子，定子，绕组，气隙，端部空间，轴承，主轴，壳体，以及热辐射网络。每组自动打包成一个Group，用单个颜色盒子显示，双击可以解压展开。这样用Group分组显示复杂的热网络模型，方便用户查看。
电机轴向热网络（Group view）
电机轴向热网络（Group展开图）
电机径向热网络（Group view）
轴向和径向热网络图
永磁体，磁钢，绕组等相邻固体之间存在接触热阻，材料本身内部也存在热阻。空气和固体表面存在对流冷却，和局部流速有关。不直接接触的固体表面之间还存在热辐射交换热量。FluxMotor自动搭建出星形热网络，该网络共包含约200个基本的传导，对流，辐射等元器件，极大的提高了建模效率。
对于这款电机，转子采用插入式永磁体，转子表面覆盖着一层薄的金属，对传热的影响不能忽略，热网络模型在自动生成的时候也考虑到了这点。
定子和转子热网络（局部）
(a)转子热网络
(b)定子热网络
Flow Simulator一维CFD模型
基本的热网络是通过搭建若干个convector, conductor, radiator热单元组合，描述复杂的热系统。如果系统内必须求解流体的温度变化，通过搭建若干个tube, fan, pump, junction, orifice等流动单元组成流动网络，描述冷却系统。
Flow Simulator的热单元库
一维Thermal Network模型
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流动网络和热网络可以耦合，交换热量。例如电机壳体的液冷通道，可以计算出冷却液的温升，压力降。
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可计算稳态温度场或瞬态温度变化过程。
Flow Simulator 的分析类型
管路外冷却（Thermal Network）+ 管内流动（Flow Network）
电机热网络模型搭建完成后，可执行Muticase多工况，优化和参数敏感性分析。例如，对于电机的气隙尺寸，磁钢导热系数，绝缘材料厚度，冷却液流量等参数设定变化范围，分析对温度影响最大的参数。
Flow Simulator的电机冷却模型
气隙冷却：空气在狭窄的环形通道中流动，冷却定子内表面和转子外表面，研究表明流态呈现复杂的环形Taylor-Couette流，换热系数采用Taylor Rotating Gap模型计算。
气隙冷却模型
► Taylor Rotating Gap 理论公式
气隙的Taylor数
Nusselt数计算公式
气隙的对流换热系数
Motor End Space Convection 端部冷却：可分为5类：
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转子端部
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定子端部
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轴端部
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绕组端部
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壳体端部
电机内部空气冷却主要是转子高速旋转带动，FlowSimulator根据电机形状和转速确定相应的对流换热系数HTC。
电机端部冷却模型
► Motor End Space Convection理论公式
► 电机外壳体冷却：根据散热翅片的布局和尺寸参数计算HTC
电机外壳体冷却模型
► 散热片冷却理论公式
竖直散热片
水平散热片
液冷通道：根据通道的尺寸，材料，表面粗糙度，冷却液流量计算HTC。
液冷通道计算模型
► 液冷通道的理论公式
雷诺数
层流Nusselt数
湍流Nusselt数
液冷对流换热系数
► 冲击式冷却
功率密度高的电机会采用冲击冷却，让冷却油直接和端部绕组等高温部件接触带走热量。
敞开式冲击冷却
浸没式冲击冷却
冲击冷却模型
► Impingement 模型理论公式
液体冲击冷却的Nusselt数
► 冲击冷却模型验证试验
喷嘴尺寸
热源表面热电偶位置
不同喷嘴的Nusselt数
电机验证模型
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永磁同步电机，额定功率75kw。
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测试采用两种工作模式：正弦电流，PWM逆变器。
电机外观
电机参数
电机内部热电偶（红点）
电机外部热电偶
电机两种工作模式下的损耗
不带变频器的电机温度
仿真和试验对比
带变频器的电机温度
仿真和试验对比
► Flow Simulator热网络模型计算结果（稳态温度场）
Flow Simulator电机温度（不带变频器）
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