传统燃油汽车时碳排放的主要来源之一，同时也是引发雾霾恶劣天气的重点污染源，根据《巴黎气候协定》，在环保与低碳的双重诉求下，全世界各国都在不遗余力的推动汽车低碳化进程，许多欧美发达国家纷纷公布了燃油车禁售的时间期限，这一系列动作象征着驰骋了一百余年的传统燃油车走向落幕，新能源汽车越来越被市场看好。 

新能源汽车与传统燃油车最大的区别就在于三电系统：电池、电控、电驱动，其中纯电动汽车大多采用永磁同步电机，其具有功率密度大、效率高、体积重量小，便于控制等诸多优点，但也因缺少传统离合器，在行驶过程中，电动机内耗急剧增加，若不能有效冷却，电动机内部温度不断升高，导致电动机效率下降。如果温度过高，导致磁损增加，电机效率下降，造成内部烧蚀甚至击穿导致电机损坏。因此，对电机进行热管理研究显得尤为重要。

驱动电机常见的冷却方式有三种：风冷、水冷与油冷。电动汽车为了节约空间、缩小电机体积、降低电机重量、提高电机功率等目标，最优选的散热方法是在定子绕组和转子端环直接油冷。在本文中，使用Simerics-MP+详细介绍了利用CFD进行电机开发的过程，针对在顶部绕组和端环上喷油来冷却电机，获得油冷下的定子、转子温度分布，并于实验进行对比。图1为电机基本结构图：

图1 活塞喷油冷却示意图

01、难点概述

电机的冷却效果受电机定子、转子、结构设计、冷却通道以及转速等各种因素影响，采用纯实验方法很难获得内部整体温度分布，且改善成本大大提高，利用CFD技术可以预估温度分布指导设计。但大部分的CFD模拟只是对稳态情况下的电机内部温度分布进行了数值研究，并没有考虑电机启动阶段下的油液分布与传热现象，因此油冷电机模拟主要有以下几个难点：

• 电机具有多个零部件，CAD模型需要适当简化，如何简化以获得合理且符合计算精度的结果需要进行基于工程经验的分析和测试；
• 电机具有旋转组件，确定电机在不同转速下油液的分布耗时较久；
• 电机油冷过程为气-液两相流模拟过程，需要考虑空气与油液的多相流运动；
• 考虑不同组件上的油液分布情况；
• 关键件油浸湿表面的局部温度分布，如：定子，转子，端环表面，绕组；
• 转子部分高速旋转，定子区域重力作用驱动流体，具有跨时间尺度问题；
• 仿真设置需要简便、快速，需要考虑合理的计算机资源

02、Simerics-MP+油冷电机共轭传热模拟方案

Simerics-MP+（原PumpLinx）为专业级的具有多领域独特应用优势的CFD仿真工具，在汽车、船舶、航空航天、核电、通用机械等均有专业的行业技术方案，且可细化到不同的典型应用模块，如电机冷却则是新能源汽车热管理的典型应用之一。针对电机冷却模拟所遇到的技术难点，Simerics-MP+提供的解决方案如下：

• Simerics-MP+内置有高鲁棒性的VOF多相流模型，可以精确模拟电机内的气液两相流动状态，精确捕捉气液界面，包括细小的油滴状同样可以精确捕捉；
• Simerics-MP+轻松设置内部旋转动网格设置，可以在MRF与动网格之间轻松切换；
• Simerics-MP+可以精确解析CAD几何模型，几何模型不需要大量简化，最大程度保证仿真结果精确性；
• Simerics-MP+具有高效的流固共轭传热分析模型，精确的热传导解析，可以快速求解传热模型，解析电机结构的热分布情况；
• Simerics-MP+针对于电机整体模拟，可以同时计算两个不同时间尺度、不同时间范围的模型，可以快速获得电机内部油液分布情况并进行热传导计算；
• Simerics-MP+的MPI并行计算助力计算效率的提升。

下面随小编来看看具体的应用案例吧。

03、油冷电机冷却模拟实例展示

几何介绍

本次模型进行了转子供油、定子供油、定转子组合、散热分析等进行了模拟计算，并与试验结果进行对比验证。

对应的流体部分的几何模型如下：

4.1转子供油分析

转子供油：流体通过传动轴进入电机内部，由于旋转作用通过径向孔向周围分布流动：

转子固体域（红色虚线内）：1.主轴、2.副轴、3.端环、4.转子、5.磁钢

4.1.1网格划分与边界条件：

网格划分：

• 为了捕捉端环处的油油膜，网格尺寸设置到了足够小，转子供油共划分了3000万网格，主要为六面体网格。
• 并使用CPU152核数进行计算，电机每转一圈计算时间3个小时，为获得周期性的稳定结果，仿真计算了3圈。

边界条件：

• 由于案例的保密性，设置转速为无刚量转速：1

初始条件下：

• 进口处油项占比为1，空气项占比为0；
• 出口处油项占比为0，空气项占比为1；

软件所采用的主要模型有：

• VOF多相流：油液和空气的两相流动模拟
• 基于雷诺平均的湍流模型
• 能量方程

流固共轭传热模拟方法：

• 需要同时考虑流体域和固体域，以实现两者之间的共轭传热问题。Simerics-MP+引进一种先进的共轭传热求解的新方法—混合时间尺度耦合法（Mixed Timescale Coupling method），这种方法可以解决热量传播过程中的时间尺度问题，快速获取可靠结果；
• 对于流体域仿真而言，流固交界面设置为固定温度边界，温度值从固体模型模拟结果映射而来；对于固体域仿真而言，流固交界面设置为固定的热通量边界，热通量值由流体模型的模拟结果映射得到，仿真分析原理图如下所示。

流固共轭传热分析原理

4.1.2计算结果展示：

部分计算结果展示如下：

电机转子油项分布情况

浸油面积占比

4.2定子供油分析

定子供油冷却：在z轴界面的电机外壳引入机油，由于重力作用，随着机油向下运动流过冷却通道，通过导油管将机油淋入绕组。

定子供油冷却Z轴截面与Y轴界面

4.2.1网格划分与边界条件：

网格划分：

• 电机模型具有1000多个固体零件，自动进行网格划分，共生成：8700万网格；
• 使用264个核数以1毫秒为时间步长进行计算，24H共计算2.5s物理时间；

X=0处定子流体网格截面显示

边界条件：

• 进口处油项占比为1，空气项占比为0；
• 出口处油项占比为0，空气项占比为1；

定子供油仿真难点：

• 准确计算冷却流体流动通道，以产生正确的油液分布；
• 精确计算模型中的固体对流传热

4.2.2计算结果展示：

部分计算结果展示如下：

4.3定转子组合分析

利用4.1与4.2定子转子分析的网格进行组合，形成1.117亿以六面体为主的网格进行计算：

部分计算结果展示如下：

4.4散热分析

对电机进行实际测试，电机产生热量值作为CFD输入进行提供，产生的热量分布在转子、定子、绕组之间。

电机：定子与转子铁损+绕组损耗，来自JMAG软件

不同组件的材料类型、属性：密度，比热容，导热率

部分计算结果展示如下：

转子、定子、绕组温度分布

参考温度数值对比

电机固体多个位置监测点的温度结果与试验数据对比-绕组

04、小结

由上述具体的应用案例描述可知，Simerics-MP+采用流体计算与固体计算时间异步的方法，仅需Simerics-MP+一个软件即可实现油冷电机中定子转子不同转速、不同时间步情况下的真实物理过程模拟，预测电机冷却油液分布情况，并对其散热进行求解，可与试验获得较高的吻合度。其计算速度也成功加速了整个模拟过程，可在较短时间内预测合理结果。具体可总结如下：

• 本应用案例使用的硬件条件和计算时间数据为：使用240核计算仿真，共计算耗时5天，温度达到收敛平衡。
• 对于电机冷却的预测模型，其应用优势有：

1. 真实物理现象的模拟：气液两相、热交换、共轭传热
2. Simerics网格划分的灵活适应性：上千个零部件支持精确网格划分，不同的几何形状均可支持，且无需对几何进行简化，Simerics-MP+可精确解析来自CAD的几何；
3. 精确性：温度预测的均方根误差小于8.85℃

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