大型异步电机通风散热优化设计--《上海交通大学》2008年硕士论文
大型异步电机通风散热优化设计
【摘要】：随着大型电机制造技术的发展,大型电机内部单位体积内发热量随之增加,这样对电机通风散热就提出了更高的要求。本课题提出了一种基于计算流体动力学的大型异步电机内部通风散热分析计算方法,该分析计算方法与以往的研究电机通风散热的方法相比,其可以减少样机试制、缩短研发周期、降低开发成本的目的。
本课题分析了大型异步电机内部热源的分布及其结构特点,分析了大型异步电机内部空气流场的特点,将异步电机模型进行合理简化,然后利用流体动力学软件Fluent对五种不同的定子通风沟结构方案进行比较,优选出一种风阻最小的结构方案;然后分析计算最优定子通风沟结构方案整个电机的温度场以及空气流场。在异步电机模型简化时,利用电机相似性原理将转子结构进行折算,首次利用Fluent软件的MRF模块分析转子的旋转对异步电机通风散热的影响,分析表明运用流体动力学分析技术对异步电机内流场进行数值模拟是完全可以实现的,其计算结果可作为电机通风散热结构设计的参考依据。
【关键词】：
【学位授予单位】：上海交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：TM343【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-11第一章 概述11-14 1.1 概述11 1.2 电机通风散热的必要性11-12 1.3 课题研究的意义与所采用的研究方法12-13 1.4 论文结构13-14第二章 异步电机通风散热基本问题14-23 2.1 异步电动机的通风型式14 2.2 异步电机内部热源分析14-15 2.3 异步电机的稳定温升15 2.4 电机通风模型分析法15-16 2.5 风路和热路分析法16-18 2.6 本文研究的对象18-21
2.6.1 电机基本参数18
2.6.2 电机各部分尺寸18-20
2.6.3 进风口及出风口的布置20-21 2.7 CFD 数值计算思路分析21-23第三章 流体力学及热力学基本原理及其在电机中的应用23-29 3.1 流体动力学控制方程23-24
3.1.1 质量守恒方程23
3.1.2 动量守恒方程23-24
3.1.3 能量守恒方程24
3.1.4 状态方程24
3.1.5 守恒方程在异步电机CFD 数值计算中的作用24 3.2 异步电机通风散热的传热学基础24-27
3.2.1 热传导基本定律25
3.2.2 对流传热25-26
3.2.3 异步电机的CFD 数值计算与风路和热路计算的区别26-27 3.3 牛顿流体基本特性27-29第四章 CFD 技术及FLUENT 软件简介29-42 4.1 CFD 技术简介29-33
4.1.1 CFD 技术现状29
4.1.2 CFD 技术基本原理29-30
4.1.3 CFD 研究方法简介30-31
4.1.4 CFD 工作流程图31-32
4.1.5 CFD 软件的结构32-33 4.2 FLUEN 软件简介33-42
4.2.1 FLUENT 软件的组成33-34
4.2.2 FLUENT 软件的物理模型及其应用领域34-35
4.2.3 本文所用前置处理器Gambit35
4.2.4 FLUEN 下解决问题的步骤35-36
4.2.5 FLUENT 软件的各项功能简介36-41
4.2.6 Fluent 化设计的优点41-42第五章 定子通风沟结构分析42-48 5.1 模型的简化42-43 5.2 模型的建立43-44 5.3 FLUENT 中分析计算44-48
5.3.1 设置求解器44
5.3.2 设置粘性计算模型44
5.3.3 定义材料属性44-45
5.3.4 边界条件设置45
5.3.5 求解器的参数设置45-46
5.3.6 计算结果及分析46-48第六章 定转子通风沟综合分析48-59 6.1 模型的简化48-51 6.2 模型的建立51-52 6.2 数值分析计算52-59
6.2.1 检查网格53-54
6.2.2 光顺网格54
6.2.3 调整尺寸54
6.2.4 设置求解器54
6.2.5 设置物质属性54
6.2.6 设置工作条件54
6.2.7 设置边界条件54-55
6.2.8 设置求解器参数55-56
6.2.9 设置残差监视器56
6.2.10 求解器初始化56
6.2.11 迭代计算56-57
6.2.12 计算结果及分析57-59第七章 异步电机通风散热分析59-84 7.1 异步电机通风散热分析59-62
7.1.1 异步电机通风散热的特点59
7.1.2 通风散热模型的简化59-61
7.1.3 电机内部的风路61-62 7.2 GAMBIT 中建模62-69
7.2.1 异步电机通风散热几何模型的建立62-65
7.2.2 划分网格65-67
7.2.3 边界条件的设置67-69 7.3 FLUENT 分析计算69-81 7.4 新方案比较81-84第八章 展望与结论84-85缩略语85-86参考文献86-88致谢88-89攻读学位期间发表的学术论文目录89
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京公网安备75号> 引领汽车／新能源CAE/CFD仿真世界全面升级专题技术巡展
引领汽车／新能源CAE/CFD仿真世界全面升级专题技术巡展
作者: Simwe &&&来源：IDAJ&&& 发布时间:&&&
【】&【】 &&
】&我来说两句：()&
IDAJ中国携手ANSYS中国引领汽车／新能源CAE/CFD仿真世界全面升级专题技术巡展邀 请 函
6月21日北京 &6月23日上海
& & & & 汽车行业是当前世界上最重要的行业之一，也是竞争最为激烈的行业之一。激烈竞争的汽车市场以及日益严苛的节能环保要求对汽车、新能源车决策管理层及产品设计开发工程师提出了严峻考验！随着计算机技术的迅猛发展，与此紧密相关最具创新力的革命性CAE/CFD仿真技术正快速渗入到汽车/新能源车概念设计、可行性研究、产品详细设计优化、原型车确认等各个环节之中，并在驱动精益设计、加速技术开发，节省开发成本，缩短开发周期的发挥重大作用。
& & & & 为了帮助国内汽车/新能源决策管理层及设计研发工程师了解最先进的汽车行业技术和经验，IDAJ中国联合ANSYS中国将于日，6月23日在北京，上海分别举办 &IDAJ携手ANSYS引领汽车／新能源CAE/CFD仿真世界全面升级&专题技术巡展。此次巡展特别邀请美国ANSYS公司汽车行业北美技术专家胡晓博士以及IDAJ中国CAE/CFD技术团队专主讲！共同为您展示ANSYS公司45年历史以来功能最丰富的产品版本&&ANSYS17在开发效率、洞察力、性能提升10倍的应用体验、 海外知名汽车企业尖端研发流程实例分析，助您最全面获悉如何正确利用ANSYS CAE/CFD强大优势，在汽车/新能源车实际工程应用中实现无以伦比的效率提升和创新性！&
会议信息：
日星期二/ 北京艾维克大厦酒店
日星期四 /上海中油阳光大酒店
主讲人：胡晓博士， ANSYS汽车行业北美技术专家； &IDAJ中国CAE/CFD技术团队
参会费用：会议免费，提供会议资料及午餐
报名截止：日
演讲专家：胡晓博士 ANSYS汽车行业北美技术专家
胡晓博士，在其职业生涯的前9年专注于汽车动力总成CFD应用，与各类汽车OEM厂商和供应商紧密合作，在发动机缸内燃烧、容积泵、发动机冷却系统，进排气系统等方面积累了丰富的经验。其后胡博士转入电动汽车动力总成领域，先后开发了ANSYS Newman电化学模型、ANSYS Maxwell与Fluent之间的电机热耦合模型，并在电池和电力电子热管理降阶模型（ROM）方面做了大量工作，所有这些都被各类汽车OEM厂商和供应商成功应用。胡晓博士毕业于美国普渡大学，作为行业知名专家，胡博士经常在各类技术期刊及行业杂志、会议发表文章，并出席各种技术大会和专业会议并发表演讲。
日程及报告简介
8:00-8:50&&参会签到
8:50-9:00 &【会议致辞】
9:00-9:30&&【改变：10X ANSYS Fluent 17新功能介绍】
报告摘要：ANSYS Fluent 17 以其突破的易用性改进使其能够满足每一位应用工程师的需求，在极大缩短仿真周期的同时，为用户提供高精度的而不只是工程化的CFD结果。全新的前处理改进使复杂模型的处理时间下降了40%~80%，一系列全新的机能也被引入到Fluent仿真流程中。本报告将介绍ANSYS Fluent R17的主要功能提升（网格功能、求解供能、物理模型等）&
9:30-10:15&【ANSYS CFD 整车行业中的前沿应用】
报告摘要：在发动机舱热管理等整车级的项目分析中，网格划分工作决定了整个项目的进度，因此高效的网格前处理工具非常重要。本文主要介绍Fluent Meshing高级网格处理工具，具有业界领先的包面技术，多种体网格类型，友好的操作界面，支持批处理脚本运行等，并将结合具体案例演示网格处理过程。随着计算机技术的发展，工程仿真的计算规模不断增大，对仿真软件在高性能计算方面的要求也越来越高。本文同时介绍Fluent稳健的网格分区处理功能和高效的并行加速能力。
10:15-11:00&【ANSYS汽车行业CFD应用定制工具包(ACT)&】
报告摘要：ANSYS应用定制工具包作为一个成套软件工具可以使用户通过个性化定制ANSYS的软件工具完成特定应用的仿真工作流程，ACT可以使用用户调用各主要产品的功能块（e.g. GUI，网格工具，几何工具，边界条件等）来创建一个针对特定应用的工作仿真流程。因为有了ACT，不仅是性能分析专家，设计工程师也可以利用ANSYS软件工具来进行仿真。 本报告将介绍什么是ANSYS ACT以及在汽车行业相应的CFD案例。
11:00-12:00【高级整车级前处理建模/高性能计算解决方案】
报告摘要：在发动机舱热管理等整车级的项目分析中，网格划分工作决定了整个项目的进度，因此高效的网格前处理工具非常重要。本文主要介绍Fluent Meshing高级网格处理工具，具有业界领先的包面技术，多种体网格类型，友好的操作界面，支持批处理脚本运行等，并将结合具体案例演示网格处理过程。随着计算机技术的发展，工程仿真的计算规模不断增大，对仿真软件在高性能计算方面的要求也越来越高。本文同时介绍Fluent稳健的网格分区处理功能和高效的并行加速能力。
12:00-13:00 午休
13:00-14:00【新能源电池/电池包性能CAE解决方案】
报告摘要：报告将介绍ANSYS电池解决方案中的锂离子电池模拟。首先会介绍单物理场仿真，包含电池热管理、电化学、等效电路模型(ECM)，以及电池结构集成；随后介绍耦合电化学和发热仿真的多尺寸多维度(MSMD)方法；最后讨论电池包系统级别 建模，这一类仿真由于使用了降阶模型（ROMS）而变得轻松可行，因为有了ROMS，一个具有数百个电池单元的电池包也可以在几分钟内进行全驾驶循环的仿真。报告中还将使用来自OEM和电池供应商的真实案例来展示这一仿真机能。
14:00-14:45&【ANSYS整车听觉噪声模拟综合解决方案】
报告摘要：在高速行车中，气动诱导噪声会影响乘员舱内驾驶员及乘客的行车舒适性，对气动诱导噪声的仿真有助于帮助设计人员分析乘员舱内听觉噪声的来源，从而进行相应的优化。ANSYS提供全面的气动诱导噪声分析方案，通过ANSYS Workbench平台可以对气动-振动-噪声传播进行集成分析，获得外流场气动噪声通过侧窗玻璃向乘员舱内传递的整个过程的信息。本报告将介绍ANSYS最新的气动-振动-噪声传递仿真技术路线，及气动噪声计算的最佳实践。
14:45-15:00 茶歇
15:00-15:40&【ANSYS在涡轮增压器设计和分析中的应用】
报告摘要：在汽车、船舶等领域内，由于涡轮增压器能提高内燃机的动力性、经济性，降低废气排放和噪声等方面的优点而在内燃机中得到广泛使用。但涡轮增压气结构复杂，工作环境恶劣，其设计涉及气动、传热、结构、振动、噪声等学科领域。实现高性能、可靠的涡轮增压器的优化设计，需要构建多学科多物理场的计算仿真平台。基于Workbench的ANSYS 17系列软件的发布，为涡轮增压器的优化设计提供了高效、易用的仿真平台。
本报告将介绍ANSYS 17系列软件（VistaCCD、Vista TF、Bladegen、BladeEditor、TurboGrid、CFX/Fluent等）实现涡轮增压器从 1D-2D-3D逐级气动设计的先进理念。设计者可以充分利用基于一维理论设计和模拟的快捷来缩短初始设计周期，利用基于二维理论的数值模拟实现快速优化，利用基于三维理论的数值模拟得到各工况下，尤其是非设计工况下的精确结果。报告最后引用涡轮增压器分析典例来说明ANSYS 17系列软件在涡轮增压器设计过程中方便、简捷、高效、可靠的优点。
15:40-16:40【新能源车用动力电机散热解决方案】
报告摘要：近年来新能源汽车持续升温，各大汽车公司竞相开发各种形式的新能源电动汽车。动力电机是新能源电动汽车中最重要的部件之一。随着电机功率的不断提高，散热成为一个越来越突出的问题。Fluent作为一款功能强大的通用CFD分析软件，为电机散热研究提供了一种高效的分析工具。本报告将对动力电机散热相关问题进行介绍，包括热源的获取方法，空冷、水冷和油冷三种电机冷却方式的特点和流场&温度场分析方法，电机CFD分析与结构分析间的参数传递等，从而为电机散热分析提供一套完整的解决方法。
16:40-17:00 &幸运抽奖&FAQ&自由讨论交流
活动官方报名地址：
欢迎扫一扫上面二维码，或打开链接，快速完成参会报名！/s/Ii54Yzmi
会议主办：
艾迪捷有限公司（简称IDAJ）&&您身边的CAE&CFD合作伙伴，于1994年成立于日本横滨，是亚太地区最大的仿真技术咨询、综合CAE\CFD软件销售和技术服务商之一。IDAJ的业务以软件开发、销售、咨询服务、系统集成为三大支柱，以CFD为核心，广泛覆盖FEA到优化。20年以来，IDAJ为超过1000家公司提供CAE解决方案。特别是在汽车、精密设备、能源、重工及家电行业成绩斐然。IDAJ在日本成功运营后，于1997年正式进入中国市场，成立艾迪捷信息科技（上海）有限公司（简称IDAJ-China）。公司融产品、技术、服务于一体，以客户满意，技术创新，员工专业为经营理念，始终致力提供世界领先的数值仿真解决方案及工具，以雄厚的技术力量以及出色的开发能力，赢得广大客户的信任与支持！IDAJ-China经过近二十年发展，客户已遍布航空航天、汽车、家电、铁路、电子、船舶、核能等各个领域。
2015年起，ANSYS公司与IDAJ中国达成全线产品销售、技术支持咨询服务等全面战略合作伙伴关系！欲了解更多详情，敬请访问：
作为全球工程仿真领域的领先企业，ANSYS在众多产品的创造过程中都扮演着至关重要的角色。无论是火箭发射、飞机翱翔长空、汽车高速驰骋、电脑和移动设备的便捷使用、桥梁虹跨江河还是可穿戴产品的贴心使用，ANSYS技术都尽显卓越。我们帮助全球最具创新性的企业推出投其客户所好的出色产品，通过业界性能最佳、最丰富的工程仿真软件产品组合帮助客户解决最复杂的仿真难题，我们让工程产品充分发挥想象的力量。欢迎与我们全球75个战略部门的近3000名专业人士合作，共同在工程仿真和产品开发领域彰显非凡！在中国，ANSYS拥有北京/上海/深圳/成都四个分公司，两百余名员工，与我们的合作伙伴共同为中国制造业提供最先进的仿真技术，通过仿真技术支撑中国2025。欲了解更多详情，敬请访问.cn。当前位置：——正文
什么是CFD？
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CFD软件是计算流体力学（Computational fluid Dynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。
1。什么是CFD？ &
CFD软件是计算流体力学（Computational fluid Dynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 &
随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了道路。 &
使用CFD，你首先得建立你想研究的系统或装置的计算模型；然后将流体流动的物理特性应用到虚拟的计算模型，CFD软件将输出你想要的流体动力性质。CFD是一种高级的分析技术，它不仅可以预测流体的行为，同时还可以得到传质（如分离和溶解），传热，相变（如凝固和沸腾），化学反映（如燃烧），机械运动（涡轮机），以及相关结构的压力和变形（如风中桅杆的弯曲）等等的性质。 &
之所以要使用CFD，至少基于以下三点：1，通常的系统是很难模型化的，而CFD的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，因为CFD对你的设计有很强的理解和可视能力。2，CFD能够快速的给出你想要的结果，一旦你给定你的问题的参量；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到最好的优化结果。3，采用CFD是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场& CFD软件概述 &
CFD软件通常有三种功能，分别着重用于： &
前端处理（Preprocessing）, &
计算和结果数据生成（compute an result）以及 &
后处理(Postprocessing). &
前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模，数据录入（或者从cad中导入），生成网格等；做完了前处理后，CFD的核心解释器（SOLVER）将根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理过程通常是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式给出来。 &
著名的CFD处理工具有以下一些： &
用于前处理： Gambit,Tgrid,GridPro,GridGen,ICEM CFD &
用于计算分析： Fluend,FIDAP,POLYFLOW &
用于后处理： Ensight,IBM Open Visulization Explorer,Field View,AVS &
提供综合的处理能力： Ansys，MAYA &
特殊领域的应用： Icepak,Airpak,Mixsim &
这些CFD软件功能强大，应用十分的广泛。在航天航空，环境污染，生物医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的工程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。2。FLUENT 软件介绍& & FLUENT 是世界领先的CFD 软件，在流体建模中广泛的被应用。由于它一直以来以用户界面友好而著称，所以对初学者来说非常容易上手，提高生产速度。它基于非结构化及有限容量的解算器的独立性能在并行处理中的表现堪称完美。Fluent 的软件设计基于CFD 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。所包括的软件模块GAMBIT&&专用的CFD 前置处理器，FLUENT 系列产品皆采用FLUENT 公司自行研发的Gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由Fluent 进行求解。也可以用ICEM CFD 进行前处理，由TecPlot 进行后处理。Fluent5.4&&基于非结构化网格的通用CFD 求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD 软件。可应用的范围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流（rotating flow）及震波（shocks ）等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快速建立及shocks 处的格点调适都有相当好的效果。Fidap&&基于有限元方法的通用CFD 求解器，为一专门解决科学及工程上有关流体力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于CFD 领域的软件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流流场、热传、化学反应等等。 FIDAP 本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。对问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。Polyflow &&针对粘弹性流动的专用CFD 求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD 软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具设计。Mixsim&&针对搅拌混合问题的专用CFD 软件，是一个专业化的前处理器，可建立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。它的图形人机接口和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底部形状、折流板之配置，叶轮的型式等等。MixSim 随即自动产生3 维网络，并启动FLUENT 做后续的模拟分析。Icepak&&专用的热控分析CFD 软件，专门仿真电子电机系统内部气流，温度分布的CFD 分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块化的设计快速建立模型。
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