一种基于CAE仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法

一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法
技术领域
1.本发明涉及电机设计与电机散热的技术领域，具体涉及一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法。


背景技术：

2.无刷直流电动机具有出色的速度与扭矩特性，适用于高转速机器，而其高速旋转，务必带来较高的损耗，引起电机温升，从而进一步影响电机的运行效率、可靠性、寿命，因此对无刷电机进行有效散热十分必要。目前对于电机散热结构的设计研究中，很多工程师为了节省时间和成本，采用数值模拟的方法来优化散热结构，如公开号为：cn112134410b，专利名称为：一种永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法，其说明书公开了，将叶片个数作为优化变量，采用遍历法求解最优解，该方法只考虑了一个优化变量，对影响风扇效率的其他因素没有考虑，难以得到最优解，且遍历法的计算效率低，影响计算结果的准确性，且以温度作为优化目标，流固耦合温度场仿真计算量大，耗时长，仿真效率低。又如公开号为cn107633143 a，专利名称为：一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其说明书公开了，通过改变散热结构厚度参数，不断进行仿真，直到满足刚度和散热性能要求，该方法没有建立约束条件，厚度参数选取没有参考性，仿真计算量巨大，且最终得到的结果并不一定为最优解。
3.因此，有必要建立计算效率高、准确性好的电机散热结构优化计算方法，得到电机散热最优结构。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了设计合理的一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，包括如下步骤：
7.1)建立电机散热的优化数学模型；
8.2)依据优化数学模型参数建立无刷电机流场cae仿真模型；
9.3)基于cae仿真的有效求解优化数学模型的求解方法。
10.进一步的，一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，步骤1)具体步骤如下：
11.1.1)确定优化目标：确定风扇旋转域进气面空气流量为优化目标；
12.1.2)确定电机散热问题的影响因素，将影响散热效率的因素作为优化变量：即离心风扇的参数叶片个数、叶片长度与宽度、叶片安装角度为优化变量；
13.1.3)确定优化变量的约束条件：将优化变量的参数的取值范围即约束条件。
14.进一步的，一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，步骤2)具体步骤如下：
15.2.1)建立包括电机转子定子、机壳、端盖、离心风扇的电机散热系统几何模型；
16.2.2)在前处理软件中抽取电机流体域，包括离心风扇旋转流体域以及电机内静止流体域，删除固体域；
17.2.3)选择分析有限单元，分别对离心风扇旋转流体域以及电机内静止空气域划分网格，细化离心风扇旋转域网格；
18.2.5)设置合适的材料属性，将两个流体域均设置为不可压缩流体；
19.2.5)施加约束与载荷，设置流体域为压力入口和压力出口，对旋转壁面以及旋转流体域施加转速。
20.进一步的，一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，步骤3)具体步骤如下：
21.3.1)建立正交优化表，根据优化变量的个数及约束条件，选择l
16
(44)类型正交表，建立离心风扇优化的正交优化表；
22.3.2)基于步骤3.1)的正交优化表给出离心风扇参数，构建包括电机转子定子、离心风扇及导流罩的电机散热系统的仿真模型，进行cae仿真计算，根据正交优化表给出的16组离心风扇参数重复建立仿真模型，进行cae仿真计算；
23.3.3)对步骤3.2)计算得到的优化计算结果，进行极差分析，从而得出最优组合。
24.本发明的有益效果是：本发明基于cae仿真，针对无刷电机散热用离心风扇的结构特点，建立离心风扇的优化数学模型，使用正交优化求解方法得到离心风扇参数的最优组合，达到电机散热的最佳目的；由于仅保留流体域进行分析，提升了计算效率，求解过程简介、准确。
附图说明
25.图1为本发明的优化设计流程图；
26.图2为本发明的离心风扇结构图；
27.图3为本发明的离心风扇参数示意图；
28.图4为本发明的流场仿真离心风扇进风口风量监测图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
31.如图1～4所示，一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，适用于无刷电机散热系统的离心风扇设计工作。
32.图2为需要优化的离心风扇，其中影响离心风扇抽风效率的主要变量是叶片的4个参数，如图3所示，选择叶片的个数n、长度a、宽度b及安装角度θ为优化变量，而这4个变量的
约束范围见表1。
33.表1离心风扇结构优化因素及水平
[0034][0035]
上表中每个因素选取4个水平分量，确定l
16
(44)正交优化表，如表2。
[0036]
表2正交优化表
[0037][0038]
表3给出了根据表2的优化变量参数建立仿真模型，进行cae仿真计算的结果。根据仿真结果进行极差分析，得到最优组合，见表3。根据最优组合的优化变量参数建模进行cae仿真计算，其流场仿真离心风扇进风口风量监测图如图4。
[0039]
表3 正交优化表计算分析
[0040][0041]ki
为第i个因素在4个水平下的试验指标之和；为ki的平均值；ri为第i个因素试验指标的极差。
[0042]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立电机散热的优化数学模型；2)依据优化数学模型参数建立无刷电机流场cae仿真模型；3)基于cae仿真的有效求解优化数学模型的求解方法。2.根据权利要求1所述的一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，其特征在于，步骤1)具体步骤如下：1.1)确定优化目标：确定风扇旋转域进气面空气流量为优化目标；1.2)确定电机散热问题的影响因素，将影响散热效率的因素作为优化变量：即离心风扇的参数叶片个数、叶片长度与宽度、叶片安装角度为优化变量；1.3)确定优化变量的约束条件：将优化变量的参数的取值范围即约束条件。3.根据权利要求1所述的一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，其特征在于，步骤2)具体步骤如下：2.1)建立包括电机转子定子、机壳、端盖、离心风扇的电机散热系统几何模型；2.2)抽取电机流体域，包括离心风扇旋转流体域以及电机内静止流体域，删除固体域；2.3)选择分析有限单元，分别对离心风扇旋转流体域以及电机内静止空气域划分网格，细化离心风扇旋转域网格；2.5)设置材料属性，将两个流体域均设置为不可压缩流体；2.5)施加约束与载荷，设置流体域为压力入口和压力出口，对旋转壁面以及旋转流体域施加转速。4.根据权利要求1所述的一种基于cae仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，其特征在于，步骤3)具体步骤如下：3.1)建立正交优化表，根据优化变量的个数及约束条件，选择l
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(44)类型正交表，建立离心风扇优化的正交优化表；3.2)基于步骤3.1)的正交优化表给出离心风扇参数，构建包括电机转子定子、离心风扇及导流罩的电机散热系统的仿真模型，进行cae仿真计算，根据正交优化表给出的16组离心风扇参数重复建立仿真模型，进行cae仿真计算；3.3)对步骤3.2)计算得到的优化计算结果，进行极差分析，从而得出最优组合。

技术总结
本发明公开了一种基于CAE仿真的无刷电机散热用离心风扇优化方法，包括如下步骤：1)建立电机散热的优化数学模型；2)依据优化数学模型参数建立无刷电机流场CAE仿真模型；3)基于CAE仿真的有效求解优化数学模型的求解方法。本发明基于CAE仿真，针对无刷电机散热用离心风扇的结构特点，建立离心风扇的优化数学模型，使用正交优化试验方法优化离心风扇结构，得到离心风扇参数的最优组合，有效节约了数值模拟的计算时间，更快得到离心风扇最优结构，达到电机散热的最佳目的。达到电机散热的最佳目的。达到电机散热的最佳目的。


技术研发人员：刘红 潘丹琦 蒋哲琪
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12