汽车交流发电机流体散热仿真分析方法

来源：汽车电器作者：佚名 2014-09-05 08:30:30

摘要：针对汽车交流发电机整机及其部件的流体散热、温度分布计算问题，对汽车交流发电机数学模型的建立与CAE仿真分析等方面进行研究；对汽车交流发电机数学模型的简化处理、流体域划分、部件发热源功率计算、仿真参数设置与后处理等方面进行总结归纳，提出一种适用于汽车交流发电机整机及其部件的温度分布计算方法，利用ANSYS的workbench平台下的FLUENT软件模块进行分析，同时对物理样机也进行试验测试。研究结果表明，仿真分析结果与物理试验进行对比，其偏差率在S％以内，分析结果可信。该仿真思路与方法可供发电机散热结构设计研究者参考。

汽车爪机发电机以其结构紧凑、功率体密度高等优点，在汽车行业得到了广泛应用。发电机安装在发动机舱内，它的工作环境温度和自身发热量都很高，这对发电机的发电性能、产品可靠性影响都非常大。在产品设计时，发电机同一零部件因汽车厂所适用的标准不同，会有不同的耐热等级要求。通常使用的ANSYS热力学分析已经不能对复杂流体热交换进行精确分析。为此，采用专业流体分析软件FLUENT，对发电机内置风扇强迫风冷的散热结构进行仿真分析。为设计者提高汽车发电机设计品质，缩短了产品开发周期，提供了一种非常有效的验证手段。

1 汽车发电机有限元流体仿真
流体仿真分析与结构分析、电磁分析等有限元分析特点基本相同，通常可分为4个部分：数模的建立与处理；有限元网格的划分；材料、物理场、求解器等相关参数设置；分析结果的后处理。

汽车发电机的流体分析遵循上述内容。在整个仿真分析过程中，整机数模简化和汽车交流发电机发热源功率计算，需要特殊对待和处理。

    1.1数学模型的建立与处理
    1.1.1整机模型简化
    爪机发电机零部件十余种，与流体散热相关的几乎涵盖了所有零部件，而且每个零部件的几何模型特征多、结构复杂，尤其是发电机的前、后端盖。所以，在做相关分析工作前，应对所有的零部件进行必要的简化处理。简化原则是对最终的分析结果影响不大，在计算过程中会大大地增加计算时间，诸如此类的一些特征应予以处理。
    经过实际分析测试可知，需要处理的特征种类及方法如下：①小圆角、小锐角、尖角、倒角、大曲率小特征，这类特征应进行删除；②螺纹特征，用圆柱面替代；③细微缝隙，添补缝合；④小阶梯面，共面处理；⑤过盈配合、干涉、渗透特征，将两处特征进行尺寸统一。
    关于简化特征的处理，多数应用专业的3D软件，ANSYS软件中的DM模块虽然可以绘制修改3D模型，但其功能比专业3D软件差。通常应用UG、pro/e、Catia、专业CADDoctor等3D软件简化处理，之后保存为*.STP或*.X_T等通用文件格式，再导入到ANSYS软件的DM中，进行相关的前处理。
    按上述处理方法，发电机整机和内部转子数模特征简化后，如图1所示。

    1.1.2流场域添加与划分技巧
    发电机整机数学模型小，实体零部件较多，加上流体域部分，如果各零部件没有定义好名称，在参数设置和后处理操作时，将很难辨认各零部件和流体域模型，后续工作也很难继续进行。
    使用“布尔求和”命令将这些零部件组成一个部件。例如，将2个爪极、轴、前后风扇命名为"rotor"；类似操作，将多个体分别进行定义，通过这样的简化操作，有助于后续工作使用。
    添加流场域前，应将当前所有零部件进行冰冻，选择Tools-->Freeze，冰冻后，就可以添加流场域了。选用Tools -->Enclosure命令，然后进行参数设置。选择“圆柱形”，设置流体域包含区域的大小，生成流体域模型。关于流体域模型，需要将其分割成内流场和外流场。在内流场再分割出一个转子流场域，用于设置旋转流场。
    划分技巧在于：径向区域范围是气隙中间的圆柱面范围之内；轴向区域为前风扇与后风扇叶片端面偏移1mm的平面范围之内。将这个区域名称定义为“转子流体域”作为区分。为网格划分节点的连续，应把所有的部件做成一个零部件来进行网格剖分，以提高网格品质。
    1.2 FLUENT界面参数设置
    1.2.1热源发热功率的计算
    汽车发电机损耗包含铁耗、铜耗、机械损耗等，这些损耗都转换成热能，使发电机内部温度升高，如果不能及时将热量散发出去，将对发电机内部的铜线绝缘漆、电子元件、轴承等造成损坏。
    汽车发电机机械损耗与所采用的轴承、润滑剂、冷却风扇和电机装配品质等有关，其机械损耗可采用实测值。铁耗通过电磁分析、材料损耗曲线表和试验经验数据获得。下面主要对发热量较大的铜耗计算进行说明。
    在流体仿真分析的物理参数设置中，非常重要的一项是热源数据的输入。FLUENT的热源输入形式是体发热量，即每立方米的体积上产生多大的功率。所以事先要用3D软件测量这些部件的体积，以备后续计算之用。
    汽车发电机产生铜耗的主要部件有定子绕组、转子激磁线圈和整流桥二极管。定子绕组的发热量取决于汽车发电机的载荷，为保证产品的可靠性，取发电机的最大负载电流进行计算。

    按式（1）可知，除了电流，还要测量定子电阻。电阻值可用毫欧级的电阻测量仪器进行测量，但测量时通常为常温值。需要用如下公式计算定子绕组在某高温值的电阻率值。

       再用电阻率公式计算某高温下的电阻值。

    常温20℃情况下，定子的一相电阻值为0.158Ω，由上述公式可计算110℃电阻值。

    定子绕组的体积V为175 830 mm 3，即单位体积发热功率为

    同理，激磁线圈单位体积发热功率为

    整流桥包含上、下桥各3个二极管，合计6个，由于各二极管仅在二分之一时间导电，其发热量也为三分之一。

    每个二极管的损耗功率为：
所以每个二极管的体积发热功率：
。