1、轴流风扇电机性能模拟及散热优化设计 单位： 参赛人员：,某知名汽车品牌轴流风扇,目录,一、课题背景,A/C Condenser,Radiator,Electric CoolingFan Module,Engine 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,一、课题背景,按照电机数量分为: . 按照装配位置分为: . 按照电机调速方式可以分为: .,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
2、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。,电机设计参数,二、电机性能分析,直流有刷电机图示,二、电机性能分析,绕组连接方式图示,电机模型,二、电机性能分析,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: x,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,二、电机性能分析,主从边界条件：Master/Slave Boundary狄里克莱边界条件：Vector Potent
3、ial Boundary,电机静态场分析结果（磁力线、磁密分布）,磁力线分布,磁密分布,二、电机性能分析,电机静态场分析结果（路径查看）,气隙磁密,转子轭部磁密,定子轭部磁密,齿部磁密,二、电机性能分析,电机瞬态场分析结果,t=x时磁密分布,t=x时磁力线分布,输出转矩随时间变化,二、电机性能分析,电机模拟性能&测试性能对比,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,三、电机温度场模拟分
4、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。,环境温度：x度,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。,机壳温度分布,刷盆温度分布温度超出安全范围值时，热保护器即跳开。,三、电机温度场模拟分析,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,导叶,加强筋,环形渐扩结构,散热优化方案： 1. 2. 3.,四、电机
5、散热优化,Inlet Domain,Outlet Domain,Rotate 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。,旋转区叶尖与壁面保留x间隙,四、电机散热优化,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。风叶旋转区进行局部加密,四、电机散热优化,主要边界条件及参数设置如下：湍流模型选用x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xr/min；取参考压力为xPa，设定变量为进口质量流量-出口静压；进口气流为常温大气；
6、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“自动调整时间步长”；最大迭代次数为x次；残差类型为均方根；前后计算的残差余量设为x。,轴流风扇轮毂散热优化-模拟分析,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-模拟分析,流场收敛曲线,传热收敛曲线,气流流线图分布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,四、电机散热优化,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；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；两种方案电机表面温度相差较少，仅x度左右。,四、电机散热优化,结论：轮毂
7、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分布一致，但相差较少，仅x度左右；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；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；,四、电机散热优化,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：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。,
