[转帖]对考虑转子旋转影响的电机流场、温度场耦合分析的解决

simon21

基本思路

我们知道，ANSYS/FLOTRAN是一个基于有限元方法的流体、热流分析程序，可以很好地解决流体的流动和流、固耦合传热等问题。

对于电机，需要分析电机内流体的流动，转子、定子因电磁影响产生热量，这些热量导致定转子的温升，这些温升又通过流体的流动(包括冷却器的影响)带走一些热量，使得电机定转子得到冷却，这就需要对流体和固体(定子、转子)进行热分析。在流体、热分析中，需要考虑转子旋转产生的影响。

在考虑转子发热的电机中，转子必须包括在分析模型中(要计算其热生成、与流体的热交换)，转子又是旋转的，那么在FLOTRAN中如何考虑转子的旋转呢?我们可以把转子当作一种流体(或者多种流体—转轴、铁芯、线圈、阻尼绕组等)，把已知的转动作为已知的速度条件施加在转动区域。实际上，在电机内有空气这种流体，在把转子，包括转轴、铁芯、线圈、绝缘、阻尼绕组等也作为流体，它们物性不同，并且差异很大，显然不能够作为一种流体来考虑，解决这个问题的办法是采用FLOTRAN的多组份分析，把空气和转子的转轴、铁芯、线圈、绝缘、阻尼绕组等作为不同的流体组份，那么就可以区分不同的物性了。

需要注意的是：
(1) 通过命令IC指定各组份的初始质量比;
(2) 不要激活多组份求解项，也就是说流体各组分之间不扩散，在整个求解过程中，保持初始组份条件;
(3) 指定组份类型为混合类型;
(4) 指定组份物性为可变的;
(5) 指定流体的初始物性(可以任意指定);
(6) 指定各组份的物性(可以是常数类型)。

基本过程及处理要点

1 模型

·几何模型
建立电机的几何模型，最好是参数化。也可以通过CAD建立。

模型中，需要包括电机的转子、定子、机座、空气，电机内的冷却器可以不考虑，但是转子上的风扇需要建立。并且把转子的铁芯、线圈、绝缘、阻尼绕组、转轴需要分离，不要把它们Add 在一起。定子也是如此。

模型中可以忽略对流动、热没有影响或者影响比较小，或者可以通过其它方式处理和模拟的部件，例如电机内的冷却器模型可以忽略，通过其它方式考虑它的影响。

总之，模型尽可能简化，以便得到较好的网格，同时降低计算规模。

·单元
流体和固体全部采用单元Flotran142。

单元类型号可以全部为1。

在单元选项中设定组份数，空气作为第一种组份，转动部分按材料性质的不同分开，每种材料为一个组分，组份数为空气与转动部分材料数之和。注意，Flotran的组份数最多为6个组份，一般情况下是够用的。如果划分的总组份数超过了6，那么可以将转子上各部件按材料特性分类，相同或相近的归在一起，总之使总组份数不超过6即可。

·材料
通过MP命令，或者相应的GUI定义定子的材料，注意材料类型号大于1，也就是说可以从2开始。定子线圈、铁芯、机座等分开定义。流体的材料类型号为1。

空气以及转动部分的材料特性在流体材料特性中定义(后面详细介绍)。

·实常数的运用
在流体分析中，用实常数可以模拟风扇和阻尼模型。

在电机的分析中，同样可以用实常数来模拟它们。但是，电机内的风扇通常是安装在转动部件上随着转子一起旋转，如果用Flotran中的风扇模型来模拟，比较困难。所以最好的办法就是建立实际的或者近似的固体模型，与转子的转轴一起作为一个组份，并且施加旋转速度。

另外，可以定义空的实常数号来区别转子上不同材料的部件，如转子线圈、铁芯等。

·网格划分
网格划分满足流体分析的基本要求。考虑到流体与固体材料物性差异很大，所以流体与固体交接区域保证一定的密度。

2 边界条件与载荷

·流动边界条件
空气的进口给速度或者相对压力;
空气的出口给速度或者相对压力;
空气与固体(定子)交接面，不用指定边界条件，程序自动指定固壁条件;
转子部分，按照流体处理，给定旋转速度(通过命令流的方式，按不同的径向位置施加切向速度)，轴向指定一个很小的速度;

·热边界条件
空气的进口指定温度(环境温度);
定子机座外壳(外表面)指定与环境空气的对流边界条件;
如果机座外壁有其它冷却系统，可以在对应位置施加热流边界;
转轴的两端(可能裸露在外部)，采用缺省的热边界，按绝热考虑;
空气与转子、定子交接面不用考虑，程序计算它们的热交换情况;
注意：流体的进口和出口不要指定热流、对流边界条件。

·热载荷(热源)
电机定、转子线圈、铁芯上的热生成率通过电磁场计算得到(模型的网格要相同)，然后读入电磁场结果文件，程序就把电磁场计算得到的热生成率施加到对应的单元上。如果知道定、转子各部件的热损耗(功率)，可以转化成热生成率(单位体积上的功率)直接施加在相应的体或者单元上。

电机内的冷却器的影响，同样以热生成率的方式施加在冷却器所在位置的单元上。按照冷却器的功率与所施加单元的体积计算热生成率，需要注意，这个热生成率应该为负数，表明是一个吸热源。即冷却器为吸热元件。

3 初始条件的定义

由于将转动部件作为流体考虑，那么系统中就有多种流体存在，这种多种流体成份按照Flotran多组份考虑。在模型中需要定义组份的初始质量比。

通过命令IC指定各组份的初始质量比，给每一个组份一个识别号，例如空气为sp01，转子线圈为sp02，在实际空气(或者转子线圈)所在的区域指定组份sp01(或者sp02)的质量比为1.0，而其它组份在这个区域的质量比为0.0 。要保证流体区域每个位置组份质量比之和为1.0。

4 组份类型

组份类型采用混合类型(CMIX)。定义方式如下：
flda,prot,dens,cmix
flda,prot,visc,cmix
flda,prot,cond,cmix
flda,prot,spht,cmix

5 流体材料物性定义

·初始物性
流体材料的物性设置为可变的，方法如下：
flda,vary,dens,t
flda,vary,visc,t
flda,vary,cond,t
flda,vary,spht,t

由于流体材料物性可变，需要定义流体的初始物性，这些物性包括密度、导热系数、比热、粘性系数，需要给定初始值，初始值可以任意指定，也可以采用转子的某些材料或者空气的物性。方法如下：

flda,nomi,dens,初始密度
flda,nomi,visc,初始粘度
flda,nomi,cond,初始导热系数
flda,nomi,spht,初始比热

·真实材料的物性(如常数值)
在定义材料物性可变，并定义了初始物性后，需要指定流体各组份的实际的物性参数，例如按常数值考虑，定义方式如下：

msprop,n,spht,constant,value_sph
msprop,n,dens,constant,value_dens
msprop,n,cond,constant,value_cond
msprop,n,visc,constant,value_visc

其中，n=1，2，3…..，表示为第n种组份，value_sph、value_dens、value_cond、value_visc所对应材料的比热、密度、导热系数、粘度。

有多少组分就需要定义多少组。转动部件上的固体材料也按此定义，除了粘度外，需要输入对应材料的实际物性值，固体材料的粘度可以设定为一个大数，因为转子区域已经指定了全部的速度，它们的流动情况已知，不影响动量方程的求解，而在不考虑粘性生热的能量方程中，不需要粘度。

6 其它求解控制

求解的控制和参数选取，与通常的流固耦合传热分析一致，注意不要激活多组分输运求解，即在整个求解过程中，在流动区域保持初始的组份质量比不变，各种组份之间不相互扩散。命令：

flda,solu,spec,0/f

在流固耦合传热(共轭传热)分析中，由于流体和固体材料的热特性相差很大，常常为几个数量级，能量方程为严重的病态方程，求解过程中温度可能会出现比较大的震荡，甚至造成负温，为了避免这种情况，可以采用MSU算法：

flda,advm,temp,msu

来源：www.ansys.com.cn FAQ 2004/10/25更新