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电机是一种利用电和磁的相互作用实现能量转换、传递的电磁机械装置。发电机从机械系统吸收机械能,向电系统输出电能;电动机则从电系统吸收电能,向机械系统输出机械能;控制电机的主要功能是在机电能量转换的过程中完成机电信号的检测,转换等任务。
电机设计是一个典型的多物理场问题,它涉及到的领域包括电磁、结构、控制、流体等多个领域。电机设计中流体部分的核心问题便是通风、散热问题,其涉及到通风系统、通风部件、换热部件的设计优化问题以及电机核心部件的温升(起动时及额定工况)问题。电机温升直接影响绕组绝缘寿命,从而关系到电机的运行寿命和可靠性。由于现代电机设计多采用较高的电磁负荷,导致电机运行时的温升明显增大,所以电机热分析显得尤为重要。
电机本身是一个由多种材料组合而成的组合体,它的发热过程较复杂,因此它的温升过程也较复杂。但在一定的容量下,各部分的温升是一定的,温度分布也是一定的。对电机的稳态温度场计算的目的就是核算电机中各发热部件在稳定运行时的温升情况;对电机的瞬态温度场计算的目的是为了核算电机的瞬态最高温度是否超过材料所允许的限度。由于局部部件发热,电机中常用的铜、铝、合金铝、银铜和钎焊材料等金属材料的强度和硬度会逐步下降,从而引起结构部件严重变形,导致机组振动危及电机运行安全。正确研究和计算电机各部件温升情况,不仅可以优化电机设计,还为今后电机高效、安全运行奠定了坚实的基础。
针对不同类型电机的不同需求,主要的通风、散热问题包括:
电机通风部件到整体的阻力特征精确分析 (通风系统风路)
液冷管道性能优化分析
风扇性能分析及优化
冷却器、换热器风阻及性能优化
其它关键结构件散热分析
全机通风散热仿真分析评估(确认核心部件温升及散热系统设计)
多场耦合分析(电磁-热-流体-结构)
传统的热设计通常是根据经验,或应用有限的换热公式进行预先估计,生产出成品后,再通过实验来检验。产品若不能满足要求,就要经历修改、再设计、再生产、再检验。显然,这种传统的热设计方法已不能满足现代化的生产需求。因此,在产品设计阶段对其进行有效的热仿真是非常必要的。
ANSYS FLUENT作为专业的计算流体动力学分析软件,能够比较真实地模拟系统的流动和热分布状况,能够在产品设计阶段对其进行流场仿真,确定模型中的流场分布特性和温度最高点等。通过对仿真结果分析后,能指导对已有产品进行参数优化或增加散热手段。并通过对修改后的模型进行再次仿真分析,可以验证优化后的产品是否已经消除热问题,确保产品达到设计要求,能在允许的温度范围内运行。此外,FLUENT还能与DesignXplorer优化软件结合,针对多个参数变量和多个目标变量进行优化工作,能进一步简化产品设计和优化流程,最终缩短产品的上市时间。
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