Ansys电机散热多物理场耦合方法
来自：IDAJ中国ANSYS技术团队 徐淑君
电机的损耗计算对效率计算和温升评估具有重要意义。为了更精确地计算电机的电磁和热性能，我们可以利用ANSYS Workbench平台实现ANSYS Maxwell 和 Fluent的电热双向耦合计算。
本文以3相IPM电机为例，在Maxwell中，利用该电机的1/8做模型（如图1），瞬态计算2D电机的损耗分布；然后在ANSYS Fluent中，将Maxwell计算得到的电机损耗映射作为激励源，稳态计算3D电机的内部温度场分布；最后，将Fluent计算得到的温度场分布反馈回Maxwell，Maxwell更新材料属性后重新计算，得到更新的电机损耗分布。经过上述流程的迭代，最终得到电机的稳态温度退磁电磁特性。本文主要介绍如何将损耗从Maxwell传递到Fluent的双向耦合操作步骤，对各个软件的设置不做详细介绍。Maxwell和Fluent的设置文件可以事先在workbench之外准备好。
图1 Maxwell中的2D几何模型
在Maxwell中，定子电源通过三个电流馈电绕组表示，而条件0电流已应用于永磁体 (PM)，以再现流过 PM 部分的感应涡流的物理行为。已设置两个合适的主从边界以表示所用模型的周期性，以及该区域外边缘上的Vector Potential = 0。运动设置已设为旋转物体以恒定速度移动。分析设置已设，时间步长为1.3888e-5s，停止时间为1.6666e-3s。非线性残差设置为 1e-5。
要接收Fluent传来的温度，需要将材料属性设置成和温度相关的方程。图2是将铜的电导率定义为温度的函数1.0/(1.0+0.0068*(Temp-20))。图3是将永磁体N5211的Relative Permeability定义为内禀退磁曲线。由于永磁电机的电磁转矩对温度非常敏感，输入 1.0-0.0010876*(Temp-20)可使B-H曲线可沿 B 轴缩放，在Magnetic Coercivity的Magnitude 输入1.0-0.00647425*(Temp-20)使B-H曲线也可沿H轴缩放。
图2 修改铜的属性
图3 修改N5211的属性
激活永磁体涡流效应，以及定子和转子的铁芯损耗效应，如图4。
图4 设置涡流效应和铁芯损耗效应
在ANSYS workbench平台通过File —> import打开已完成设置的Maxwell项目，如图5。双击A4打开Maxwell，通过Maxwell 2D —> Set Object Temperature…打开Temperature of Object面板，勾选Enable Feedback,如图6。这是实现双向耦合的必须设置。
图5 workbench平台
图6 设置温度反馈
由于转移到 Fluent 的损耗将基于场，我们需要将定子上的铁芯损耗除以分数。通过Maxwell 2D —> Results —> Create Transient Reports —> Rectangular Plot创建CoreLoss (Stator)/fractions，如图7。
图7 创建损耗plot
在plot图上右键点击，选择Trace Characteristics —> All…，显示如图8的在0.833333ms到1.6666ms的定子上的铁芯损耗平均值51.3885W。这一数据将用于和Fluent中的映射数据作比较。
图8 铁芯损耗平均值
在workbench平台通过拖拽方式插入Fluent组件，如图9。Fluent中导入事先准备好的3D电机case文件，如图10。按照图11创建软件之间的关联，并更新数据。
图9 插入Fluent组件
图10 Fluent导入3D模型
图11 更新流程数据
在Fluent软件中通过File —> EM Mapping —> Volumetric Energy Source打开Maxwell映射损耗界面，选择需要传递损耗的对象和时间，如图12。数据映射后，FLUENT 控制台窗口会显示映射到四个选定区域的损耗值，如图13。定子（zone 31和37）报告的损耗为 50.34W，与前面 Maxwell 计算的定子总损耗51.3885W基本一致。可以验证其他区域的损耗也是正确的。
图12 Maxwell映射损耗界面
图13 Fluent中的映射值
使用反馈迭代器组件可以自动模拟几个耦合迭代。在 WB 中的Component Systems 下选择一个 Feedback Iterator，如图14连接Maxwell。右键点击C2选择属性面板，将Max Iterations 的值设置为3表示将两个软件耦合迭代3次。点击Update Project来运行耦合模拟。强烈建议在运行反馈迭代器之前保存项目并关闭 Maxwell 和 Fluent。可以通过进度面板跟踪模拟进度，如图15。
图14 反馈迭代器
图15 进度面板
计算完成后，在Maxwell中打开扭矩图可以看到：由于磁铁是温度的函数，因此扭矩在耦合计算后小了很多。平均扭矩值现在约为 167 Nm，而在 20°C 时相同的值约为 256Nm，如图16。这意味着电机性能降低了约 34.8%。
图16 扭矩图
为了验证温度反馈是否按预期工作，我们可以检查磁铁上的温度分布。图17显示迭代3次后，磁体上的温度分布变得不均匀。因为 Maxwell 无法单独做到这一点，所以带来这一变化的只能是外部软件Fluent。
图17 磁铁上的温度分布
在Fluent中可以看到迭代完成后的三相绕组平均温度如图18。从该图可以看到 Maxwell-Fluent 双向耦合执行的三次迭代。当温度曲线趋于平稳，不再变化，我们就可以认为解决方案已经收敛，进一步的迭代不会产生更好的结果，而只会花费一些额外的时间。三次迭代后的整体温度云图如图19。
图18 三相绕组平均温度图
图19 温度云图
