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車用油冷電機共軛傳熱CFD仿真模擬分析

傳統燃油汽車時碳排放的主要來源之一,同時也是引發霧霾惡劣天氣的重點污染源,根據《巴黎氣候協定》,在環保與低碳的雙重訴求下,全世界各國都在不遺余力的推動汽車低碳化進程,許多歐美發達國家紛紛公布了燃油車禁售的時間期限,這一系列動作象征著馳騁了一百余年的傳統燃油車走向落幕,新能源汽車越來越被市場看好。 


新能源汽車與傳統燃油車最大的區別就在于三電系統:電池、電控、電驅動,其中純電動汽車大多采用永磁同步電機,其具有功率密度大、效率高、體積重量小,便于控制等諸多優點,但也因缺少傳統離合器,在行駛過程中,電動機內耗急劇增加,若不能有效冷卻,電動機內部溫度不斷升高,導致電動機效率下降。如果溫度過高,導致磁損增加,電機效率下降,造成內部燒蝕甚至擊穿導致電機損壞。因此,對電機進行熱管理研究顯得尤為重要。


驅動電機常見的冷卻方式有三種:風冷、水冷與油冷。電動汽車為了節約空間、縮小電機體積、降低電機重量、提高電機功率等目標,最優選的散熱方法是在定子繞組和轉子端環直接油冷。在本文中,使用Simerics-MP+詳細介紹了利用CFD進行電機開發的過程,針對在頂部繞組和端環上噴油來冷卻電機,獲得油冷下的定子、轉子溫度分布,并于實驗進行對比。圖1為電機基本結構圖:

圖1 活塞噴油冷卻示意圖



01、難點概述

電機的冷卻效果受電機定子、轉子、結構設計、冷卻通道以及轉速等各種因素影響,采用純實驗方法很難獲得內部整體溫度分布,且改善成本大大提高,利用CFD技術可以預估溫度分布指導設計。但大部分的CFD模擬只是對穩態情況下的電機內部溫度分布進行了數值研究,并沒有考慮電機啟動階段下的油液分布與傳熱現象,因此油冷電機模擬主要有以下幾個難點:

  • 電機具有多個零部件,CAD模型需要適當簡化,如何簡化以獲得合理且符合計算精度的結果需要進行基于工程經驗的分析和測試;
  • 電機具有旋轉組件,確定電機在不同轉速下油液的分布耗時較久;
  • 電機油冷過程為氣-液兩相流模擬過程,需要考慮空氣與油液的多相流運動;
  • 考慮不同組件上的油液分布情況;
  • 關鍵件油浸濕表面的局部溫度分布,如:定子,轉子,端環表面,繞組;
  • 轉子部分高速旋轉,定子區域重力作用驅動流體,具有跨時間尺度問題;
  • 仿真設置需要簡便、快速,需要考慮合理的計算機資源

02、Simerics-MP+油冷電機共軛傳熱模擬方案

Simerics-MP+(原PumpLinx)為專業級的具有多領域獨特應用優勢的CFD仿真工具,在汽車、船舶、航空航天、核電、通用機械等均有專業的行業技術方案,且可細化到不同的典型應用模塊,如電機冷卻則是新能源汽車熱管理的典型應用之一。針對電機冷卻模擬所遇到的技術難點,Simerics-MP+提供的解決方案如下:

  • Simerics-MP+內置有高魯棒性的VOF多相流模型,可以精確模擬電機內的氣液兩相流動狀態,精確捕捉氣液界面,包括細小的油滴狀同樣可以精確捕捉;
  • Simerics-MP+輕松設置內部旋轉動網格設置,可以在MRF與動網格之間輕松切換;
  • Simerics-MP+可以精確解析CAD幾何模型,幾何模型不需要大量簡化,最大程度保證仿真結果精確性;
  • Simerics-MP+具有高效的流固共軛傳熱分析模型,精確的熱傳導解析,可以快速求解傳熱模型,解析電機結構的熱分布情況;
  • Simerics-MP+針對于電機整體模擬,可以同時計算兩個不同時間尺度、不同時間范圍的模型,可以快速獲得電機內部油液分布情況并進行熱傳導計算;
  • Simerics-MP+的MPI并行計算助力計算效率的提升。
下面隨小編來看看具體的應用案例吧。

03、油冷電機冷卻模擬實例展示

幾何介紹

本次模型進行了轉子供油、定子供油、定轉子組合、散熱分析等進行了模擬計算,并與試驗結果進行對比驗證。

對應的流體部分的幾何模型如下:

電機幾何模型介紹

4.1轉子供油分析

轉子供油:流體通過傳動軸進入電機內部,由于旋轉作用通過徑向孔向周圍分布流動:


轉子固體域(紅色虛線內):1.主軸、2.副軸、3.端環、4.轉子、5.磁鋼


4.1.1網格劃分與邊界條件:

網格劃分:

  • 為了捕捉端環處的油油膜,網格尺寸設置到了足夠小,轉子供油共劃分了3000萬網格,主要為六面體網格。
  • 并使用CPU152核數進行計算,電機每轉一圈計算時間3個小時,為獲得周期性的穩定結果,仿真計算了3圈。

邊界條件:
  • 由于案例的保密性,設置轉速為無剛量轉速:1

初始條件下:

  • 進口處油項占比為1,空氣項占比為0;
  • 出口處油項占比為0,空氣項占比為1;

初始條件及邊界條件設置

軟件所采用的主要模型有:

  • VOF多相流:油液和空氣的兩相流動模擬
  • 基于雷諾平均的湍流模型
  • 能量方程
流固共軛傳熱模擬方法:
  • 需要同時考慮流體域和固體域,以實現兩者之間的共軛傳熱問題。Simerics-MP+引進一種先進的共軛傳熱求解的新方法—混合時間尺度耦合法(Mixed Timescale Coupling method),這種方法可以解決熱量傳播過程中的時間尺度問題,快速獲取可靠結果;
  • 對于流體域仿真而言,流固交界面設置為固定溫度邊界,溫度值從固體模型模擬結果映射而來;對于固體域仿真而言,流固交界面設置為固定的熱通量邊界,熱通量值由流體模型的模擬結果映射得到,仿真分析原理圖如下所示。


流固共軛傳熱分析原理



4.1.2計算結果展示:

部分計算結果展示如下:



電機轉子油項分布情況



浸油面積占比



4.2定子供油分析

定子供油冷卻:在z軸界面的電機外殼引入機油,由于重力作用,隨著機油向下運動流過冷卻通道,通過導油管將機油淋入繞組。



定子供油冷卻Z軸截面與Y軸界面


4.2.1網格劃分與邊界條件:

網格劃分:

  • 電機模型具有1000多個固體零件,自動進行網格劃分,共生成:8700萬網格;
  • 使用264個核數以1毫秒為時間步長進行計算,24H共計算2.5s物理時間;



X=0處定子流體網格截面顯示


左:冠側繞組截面               右:焊縫側繞組截面



Simerics-MP+充分考慮復雜結構的網格劃分細致程度


邊界條件:

  • 進口處油項占比為1,空氣項占比為0;
  • 出口處油項占比為0,空氣項占比為1;
定子供油仿真難點:
  • 準確計算冷卻流體流動通道,以產生正確的油液分布;
  • 精確計算模型中的固體對流傳熱

4.2.2計算結果展示:

部分計算結果展示如下:


仿真物理時間5s時,油體積分數等值面



仿真物理時間6s時,油體積分數



不同組件表面油體積分數隨時間變化曲線



4.3定轉子組合分析

利用4.1與4.2定子轉子分析的網格進行組合,形成1.117億以六面體為主的網格進行計算:


網格示意圖


部分計算結果展示如下:


仿真物理時間21s時,轉子+定子油等值面



通過4個不同位置孔時,轉子-油流量體積曲線




仿真物理時間21s時,各截面油分布圖



4.4散熱分析

對電機進行實際測試,電機產生熱量值作為CFD輸入進行提供,產生的熱量分布在轉子、定子、繞組之間。


電機:定子與轉子鐵損+繞組損耗,來自JMAG軟件


不同組件的材料類型、屬性:密度,比熱容,導熱率



部分計算結果展示如下:


轉子、定子、繞組溫度分布



參考溫度數值對比



電機固體多個位置監測點的溫度結果與試驗數據對比-繞組



04、小結

由上述具體的應用案例描述可知,Simerics-MP+采用流體計算與固體計算時間異步的方法,僅需Simerics-MP+一個軟件即可實現油冷電機中定子轉子不同轉速、不同時間步情況下的真實物理過程模擬,預測電機冷卻油液分布情況,并對其散熱進行求解,可與試驗獲得較高的吻合度。其計算速度也成功加速了整個模擬過程,可在較短時間內預測合理結果。具體可總結如下:

  • 本應用案例使用的硬件條件和計算時間數據為:使用240核計算仿真,共計算耗時5天,溫度達到收斂平衡。
  • 對于電機冷卻的預測模型,其應用優勢有:
  1. 真實物理現象的模擬:氣液兩相、熱交換、共軛傳熱
  2. Simerics網格劃分的靈活適應性:上千個零部件支持精確網格劃分,不同的幾何形狀均可支持,且無需對幾何進行簡化,Simerics-MP+可精確解析來自CAD的幾何;
  3. 精確性:溫度預測的均方根誤差小于8.85℃

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