軸流風扇電機性能模擬及散熱優(yōu)化設(shè)計單位

軸流風扇電機性能模擬及散熱優(yōu)化設(shè)計

單位：參賽人員：

某知名汽車品牌軸流風扇

目錄一、課題背景二、電機性能分析電機設(shè)計參數(shù)電機性能仿真三、電機溫度場分析有限元分析電機溫度分布四、電機散熱優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化方案模擬分析結(jié)論五、結(jié)論及展望一、課題背景A/CCondenserRadiatorElectricCoolingFanModuleEngineShroud軸流冷卻風扇用于發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等的水箱、冷凝器等的風冷散熱一、課題背景FAN風扇MOTOR

電機SHROUD護風罩Flapperdoor風門按照電機數(shù)量分為:………..

按照裝配位置分為:………..

按照電機調(diào)速方式可以分為:………..

一、課題背景現(xiàn)狀描述：

由于日趨激烈的競爭環(huán)境及客戶對項目進度的要求越來越高，需要零配件企業(yè)盡快拿出解決方案，Ansoft軟件可以快速模擬出電機輸出特性，有利于設(shè)計人員及時調(diào)整方案，大大節(jié)省了反復(fù)制作樣機的時間，使得開發(fā)周期大大縮短。

同時，電機溫升過高會嚴重影響電機的性能，出現(xiàn)高溫退磁及零件快速老化等不利因素，如何快速模擬電機溫度場并優(yōu)化電機散熱結(jié)構(gòu)顯得至關(guān)重要。評價指標經(jīng)驗公式ANSOFT試驗電機幾何復(fù)雜程度簡單不限不限對經(jīng)驗參數(shù)的依賴完全依賴不完全依賴不依賴預(yù)測成本最低較低最高預(yù)測周期最短較短最長預(yù)測信息量很少最詳細較多預(yù)測可靠性最差較好最好電機設(shè)計參數(shù)額定指標額定功率母線電壓極數(shù)額定轉(zhuǎn)速電刷壓降xxxWxxVxxxxxrpmx.xV定子沖片及槽型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子槽數(shù)：xx轉(zhuǎn)子外徑:xxmm轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：xxmm轉(zhuǎn)子槽尺寸：xxxxxxx軸向長度（疊厚）：xxmm疊壓系數(shù)：x.xx硅鋼片牌號：xxxx二、電機性能分析直流有刷電機圖示繞組連接方式繞組形式:疊繞組復(fù)倍系數(shù):x虛槽數(shù)：x每槽導(dǎo)體數(shù)：xx繞組跨距：x并繞根數(shù)：x繞組線徑：xxmm繞組雙邊絕緣厚度：xxx定子沖片及磁鋼尺寸換向器及電刷參數(shù)氣隙厚度：xxmm定子外徑：xxmm定子內(nèi)徑：xx7mm軸向長度：xxmm疊壓系數(shù)：x機殼牌號：x極弧系數(shù)：x永磁體厚度：xxmm磁鋼牌號：x磁鋼剩磁：xT磁鋼矯頑力：x換向器類型：xxxxxx換向器直徑：xxmm換向器長度：xxxmm換向器片間絕緣：xxmm電刷寬度：xxmm電刷長度：xxxxxmm電刷對數(shù)：x電刷角度偏移：x電刷壓降：xV電刷壓力：xg/mm2摩擦系數(shù)：x二、電機性能分析繞組連接方式圖示電機模型二、電機性能分析幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析定子外徑：Фxmm轉(zhuǎn)子外徑:Фxmm疊厚：xmm氣隙：xmm極數(shù)：xx極槽數(shù):x槽繞線方式:x幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析二、電機性能分析OnSelection剖分設(shè)置：基于單元長度設(shè)置三角形單元格氣隙處加密設(shè)置幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析二、電機性能分析主從邊界條件：Master/SlaveBoundary狄里克萊邊界條件：VectorPotentialBoundary幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析電機靜態(tài)場分析結(jié)果（磁力線、磁密分布）磁力線分布磁密分布二、電機性能分析電機靜態(tài)場分析結(jié)果（路徑查看）氣隙磁密轉(zhuǎn)子軛部磁密定子軛部磁密齒部磁密二、電機性能分析電機瞬態(tài)場分析結(jié)果t=x時磁密分布t=x時磁力線分布輸出轉(zhuǎn)矩隨時間變化二、電機性能分析電機模擬性能&測試性能對比結(jié)論：對比仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果，仿真結(jié)果可靠性較高，數(shù)值結(jié)果和相對精度可以滿足工程需要仿真設(shè)計方法可節(jié)約開發(fā)周期，在更大程度上減少設(shè)計結(jié)果對設(shè)計人員經(jīng)驗的依賴性，有利于我公司掌握電機性能的數(shù)值模擬和優(yōu)化分析。Simulation二、電機性能分析三、電機溫度場模擬分析幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析Ansoft軟件不僅可以模擬電機各性能參數(shù)，同時可以模擬電機損耗，作為電機溫度場模擬的輸入?yún)?shù)。幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析銅耗W鐵耗W摩擦損耗W電刷損耗W總損耗WCopperLossIroncoreLossFrictional&WindageLossBrushLossTotalLossxxxxx環(huán)境溫度：x度三、電機溫度場模擬分析Ansoft軟件不僅可以模擬電機各性能參數(shù)，同時可以模擬電機損耗，作為電機溫度場模擬的輸入?yún)?shù)。幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析機殼溫度分布刷盆溫度分布溫度超出安全范圍值時，熱保護器即跳開。三、電機溫度場模擬分析現(xiàn)狀描述：由于整車裝配中風扇的安裝空間越來越小，但性能要求越來越高，電機功率增大，體積減小，發(fā)熱問題嚴重。

針對電機發(fā)熱情況，在風葉輪轂處開孔，使更多氣流進入輪轂內(nèi)部對電機散熱。四、電機散熱優(yōu)化導(dǎo)葉加強筋環(huán)形漸擴結(jié)構(gòu)散熱優(yōu)化方案：

1.

2.

3.

四、電機散熱優(yōu)化幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析InletDomainOutletDomainRotateDomain為評估開孔散熱影響，需模擬流場及溫度場狀態(tài)，進行定性分析。旋轉(zhuǎn)區(qū)葉尖與壁面保留x間隙四、電機散熱優(yōu)化幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析為避免因為網(wǎng)格密度不足而造成計算不可靠的影響，對計算域進行加大網(wǎng)格密度的驗證，對不同網(wǎng)格數(shù)量下的風葉進行模擬，誤差基本可以忽略，說明該網(wǎng)格密度足夠，其計算結(jié)果是可靠的。風葉旋轉(zhuǎn)區(qū)進行局部加密四、電機散熱優(yōu)化幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析主要邊界條件及參數(shù)設(shè)置如下：湍流模型選用x模型；采用旋轉(zhuǎn)坐標系的方法，設(shè)置計算域轉(zhuǎn)速為技術(shù)要求的工作轉(zhuǎn)速xr/min；取參考壓力為xPa，設(shè)定變量為進口質(zhì)量流量-出口靜壓；進口氣流為常溫大氣；電機處簡化為恒熱源處理；收斂控制與收斂準則：求解器的時間步長設(shè)為“自動調(diào)整時間步長”；最大迭代次數(shù)為x次；殘差類型為均方根；前后計算的殘差余量設(shè)為x。軸流風扇輪轂散熱優(yōu)化-模擬分析幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析主要監(jiān)視參數(shù)為殘差，收斂曲線顯示收斂良好。軸流風扇輪轂散熱優(yōu)化-模擬分析流場收斂曲線傳熱收斂曲線幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析氣流流線圖分布氣流經(jīng)過葉片呈螺旋發(fā)散形式出流優(yōu)化前后方案主要區(qū)別在于輪轂處是否有氣流通過四、電機散熱優(yōu)化幾何創(chuàng)建網(wǎng)格劃分邊界條件設(shè)置求解結(jié)果分析優(yōu)化前后對比：溫度云圖如上，兩種方案電機表面及周圍溫度分布一致；電機作為旋轉(zhuǎn)體處于流場中心和邊界初始設(shè)置，計算結(jié)果表面溫度分布均勻；兩種方案電機表面溫度相差較少，僅x度左右。四、電機散熱優(yōu)化結(jié)論：輪轂優(yōu)化設(shè)計可以增加通風量，降低電機溫度；模擬顯示兩種方案電機表面溫度分布一致，但相差較少，僅x度左右；主要存在問題：網(wǎng)格均為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，且數(shù)量可能偏少，需邊界層加密后重復(fù)驗證；電機簡單作為恒熱源處理，僅簡單定性分析，考慮到計算量沒有將電磁熱分析結(jié)果導(dǎo)入作為初始邊界條件；四、電機散熱優(yōu)化結(jié)論：

本課題運用CFD方法為單級軸流風機建立了數(shù)學(xué)模型，借助ANSYS軟件求解了在給定的轉(zhuǎn)速條件下的風機內(nèi)流場，得到了風機內(nèi)流的壓力分布、速度分布等氣動參數(shù)，流動規(guī)律和現(xiàn)有理論及實際情況基本相符。同時對風罩后導(dǎo)葉進行了優(yōu)化設(shè)計，模擬結(jié)果顯示優(yōu)化明顯。已知風機結(jié)構(gòu)尺寸和試驗數(shù)據(jù)，選擇合理的數(shù)值模擬方法對其內(nèi)部流場進行定常計算，預(yù)測了其不同流量時的外部性能并與試驗結(jié)果進行對比，驗證數(shù)模模擬方法的正確性。單級風機加后導(dǎo)葉的風機出口旋繞速度小，可明顯減小沿程流動損失，這種效果將會更加明顯，風機出口全壓和效率提高。展望：由于條件和時間限制，邊界條件并未考慮徑向間隙和軸向間隙的影響；數(shù)值模擬并未對風扇的噪聲進行計算，今后應(yīng)當研究風扇瞬態(tài)算法的建模方法，并比較其與穩(wěn)態(tài)算法的精確度差異。附錄資料：不需要的可以自行刪除CASS工藝1CASS工藝簡介2CASS工藝的基本原理3CASS工藝的基本特點4CASS工藝主要設(shè)計參數(shù)1CASS工藝簡介CASS（CyclicActivatedSludgeSystem）工藝是近年來國際公認的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進工藝。其基本結(jié)構(gòu)是：至少由兩個區(qū)域組成，即生物選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，但也可在主反應(yīng)區(qū)前設(shè)置一兼氧區(qū)，其主反應(yīng)區(qū)后部安裝了可升降的自動撇水裝置。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內(nèi)周期循環(huán)運行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng)；同時可實現(xiàn)總體上連續(xù)進水，間斷排水。

2CASS工藝的基本原理

CASS是一種具有脫氮除磷功能的循環(huán)間隙廢水生物處理技術(shù)。每個CASS反應(yīng)器由生物選擇區(qū)、兼氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)三個區(qū)域組成。

CASS反應(yīng)器CASS反應(yīng)器1.生物選擇區(qū)2.兼氧區(qū)3.主反應(yīng)區(qū)2CASS工藝的基本原理CASS工藝集反應(yīng)、沉淀、排水功能于一體，污染物的降解在時間上是一個推流過程，而微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達到對污染物去除作用，同時還具有較好的脫氮、除磷功能。生物選擇區(qū)作用在生物選擇區(qū)內(nèi)，通過主反應(yīng)區(qū)污泥的回流并與進水混合，不僅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而且加速對溶解性底物的去除并對難降解有機物起到良好的水解作用，同時可使污泥中的磷在厭氧條件下得到有效的釋放。生物選擇區(qū)還可有效地抑制絲狀菌的大量繁殖，克服污泥膨脹，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在生物選擇區(qū)中，污泥回流液中存在的少量硝酸鹽氮（約為2mg/L）可得到反硝化，反硝化量可達整個系統(tǒng)反硝化量的20%左右。選擇器可定容運行，亦可變?nèi)葸\行，多池系統(tǒng)中的進水配水池也可用作選擇器。兼性區(qū)作用兼氧區(qū)不僅具有輔助厭氧或兼氧條件下運行的生物選擇區(qū)對進水水質(zhì)水量變化的緩沖作用，同時還具有促進磷的進一步釋放和強化氮的反硝化作用。主反應(yīng)區(qū)作用主反應(yīng)區(qū)則是最終去除有機底物的主要場所。運行過程中，通常將主反應(yīng)區(qū)的曝氣強度以及曝氣池中溶解氧強度加以控制，以使反應(yīng)區(qū)內(nèi)主體溶液中處于好氧狀態(tài)，保證污泥絮體的外部有一個好氧環(huán)境進行硝化；活性污泥結(jié)構(gòu)內(nèi)部則基本處于缺氧狀態(tài)，溶解氧向污泥絮體內(nèi)的傳遞受到限制，而較高的硝酸鹽濃度（梯度）則能較好地滲透到絮體內(nèi)部，有效地進行反硝化，從而使主反應(yīng)區(qū)中同時發(fā)生有機污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。CASS工藝的循環(huán)運行過程

CASS以一定的時間序列運行，其運行過程包括進水－曝氣、進水－沉淀、停止進水－排水和進水－閑置等4個階段并組成其運行的一個周期。CASS工藝的循環(huán)運行過程不同的運行階段的運行方式可根據(jù)需要進行調(diào)整,如無反應(yīng)進水（即進水時既不曝氣也不攪拌）、無曝氣進水混合、進水曝氣及不進水曝氣等。一個運行周期結(jié)束后，重復(fù)上一周期的運行并由此循環(huán)不止。CASS工藝的循環(huán)運行過程

循環(huán)過程中，反應(yīng)器內(nèi)的水位隨進水而由初始的設(shè)計最低水位逐漸上升至最高設(shè)計水位，因而運行過程中其有效容積是逐漸增加的（即變?nèi)莘e運行）。曝氣和攪拌階段結(jié)束后，在靜止條件下使活性污泥絮凝并進行泥水分離，沉淀結(jié)束后通過移動堰表面潷水裝置排出上清水層并使反應(yīng)器中的水位恢復(fù)至設(shè)計最低水位，然后，重復(fù)上一周期的運行。CASS工藝的循環(huán)運行過程

為保證系統(tǒng)在最佳條件下運行，必須定時排泥。CASS反應(yīng)器中經(jīng)沉淀后的污泥濃度可達10000mg/L以上，剩余污泥量要比傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝少得多。CASS工藝的循環(huán)操作過程（1）曝氣階段：由曝氣裝置向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時有機污染物被微生物氧化分解，同時污水中的NH3-N通過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N。CASS工藝的循環(huán)操作過程（2）沉淀階段:

此時停止曝氣，微生物利用水中剩余的DO進行氧化分解。反應(yīng)池逐漸由好氧狀態(tài)向缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，開始進行反硝化反應(yīng)?；钚晕勰嘀饾u沉到池底，上層水變清。CASS工藝的循環(huán)操作過程（3）潷水階段:

沉淀結(jié)束后，置于反應(yīng)池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液。此時反應(yīng)池逐漸過渡到厭氧狀態(tài)繼續(xù)反硝化。CASS工藝的循環(huán)操作過程（4）閑置階段:

閑置階段即是潷水器上升到原始位置階段。具體運行過程分析（1）進水—曝氣階段。此階段，邊進水邊曝氣，同時將主反應(yīng)器區(qū)的污泥回流至生物選擇器。污泥回流量約為處理廢水量的20%。

具體運行過程分析（2）進水—沉淀。此階段，停止曝氣，靜置沉淀以使泥水分離。在沉淀剛開始時，由于曝氣所提供的攪拌作用剩余的混合能使污泥發(fā)生絮凝，隨后污泥以區(qū)域沉降的形式下降，因而所形成的沉淀污泥濃度較高（當混合液的污泥濃度為3500mg/L時，經(jīng)沉淀后污泥的濃度可達到10000mg／L以上）。與SBR工藝不同的是，CASS工藝在沉淀階段不僅不停止進水，而且污泥回流也不停止。由于在沉淀期間反應(yīng)器不排水，因而在合理設(shè)計的條件下，反應(yīng)器猶如豎流式沉淀池，而其表面負荷則要比豎流式沉淀池低得多，可獲得良好的沉淀分離效果。具體運行過程分析（3）停止進水－排水。此階段，CASS反應(yīng)器停止進水。根據(jù)處理系統(tǒng)中CASS反應(yīng)器個數(shù)的不同，或者將原水引入其它CASS反應(yīng)器（兩個或兩個以上CASS反應(yīng)器），或者將原水引入CASS反應(yīng)器之前的集水井（單個CASS反應(yīng)器）。排水均采用自動控制的潷水器進行。排水期間，污泥回流系統(tǒng)照常工作。污泥回流的目的是提高缺氧區(qū)的污泥濃度，以使隨污泥回流該區(qū)內(nèi)污泥中的硝態(tài)氮進行反硝化，并進行磷的釋放而促進在好氧區(qū)內(nèi)對磷的吸收。由于CASS反應(yīng)器在運行過程中的最高水位和潷水時的最低水位是設(shè)計確定的，因而在潷水期間進行污泥回流不會影響出水水質(zhì)。具體運行過程分析（4）進水－閑置階段。實際運行過程中，由于潷水時間往往要比設(shè)計潷水時間短，其剩余時間通常用于反應(yīng)器內(nèi)污泥的閑置以恢復(fù)污泥的吸附能力。正常的閑置期通常在潷水器恢復(fù)待運行狀態(tài)后4~5min開始。閑置期間，污泥回流系統(tǒng)照常工作。在實際運行過程中，閑置階段往往與排水和排泥過程同步進行，因而一般不需在運行周期中獨立分配時間。

1.3CASS工藝的基本特點

與傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝及經(jīng)典SBR工藝相比，CASS工藝具有以下四個方面的特征：

（1）根據(jù)生