CASE STUDY

Cradle CFD 高效助力高功率马达进行热管理设计

摘要

随电动化交通工具的快速普及，高功率马达的热管理越显重要，因此以计算流体力学CFD进行热管理分析设计是一项重要工作。热设计好坏，事关产品的效能、寿命、安全性。然而马达内部结构几何繁杂细小且复杂，传统方式难以生成符合实物的精密网格。如果对模型进行几何简化，又会牺牲结果的精准性，且费时耗工。

本文运用Cradle CFD 创新网格技术Voxel Fitting网格，能够有效解决此类问题。以水冷电动马达为例进行网格生成与计算分析，此马达原始的所有复杂问题，包括绕线、挖槽、间隙、流路等等，全部被完整正确的自动网格化描述。基于此，可以进行精密的水冷温度场分析，更进一步，还可以变更两种水冷流路设计，利用此技术进行散热结果分析比较。结果显示，此技术确实可稳健、快速、精确的协助高功率马达的热管理设计工作。

关键字: 马达热管理 Motor Thermal Management、计算流体力学 CFD、电动车 EV

前言

随电动化交通工具的快速普及，高功率马达的热管理越显重要。发展趋势对马达输出功率需求不断提升，同时又希望压缩马达体积便于应用，由此会造成热密度的快速增加，导致马达温升大幅提高。过高的马达温度不利于马达的寿命、可靠度，也会影响到马达的电磁性能。因此如何对高热密度的电动马达进行热管理设计成为一个重要课题。马达在内部结构复杂且复杂机构运动形式下，高速运转时，内部热流场极难以实验进行量测，但是计算流体力学CFD能够克服此问题，提供内部精细的物理现象数据供设计参考，因此也成为马达热管理分析设计一项不可或缺的工具。然而高功率马达的结构十分复杂，在进行数值模拟分析时往往会遭遇许多困难。传统方法会对许多复杂的几何进行简化，但这些简化造成了许多物理现象的遗失或误差，可能会误导设计判断。另一方面，困难繁琐的模拟过程也抑制了设计人员应用CFD的意愿。因此，如何开发先进的数值模拟技术，特别是极度复杂几何的快速网格划分技术，对于高功率马达精确有效的热管理设计至关重要。Cradle CFD中创新式Voxel Fitting 网格生成技术，可以用于克服前述问题。本文将应用此技术，对电动车动力厂，包含电动马达、连接输出齿轮组与轴承，进行维持真实几何不做简化的完整分析，探讨了解此技术可达成的成果。

研究方法

本文使用了Cradle CFD软件所开发的scFLOW模块。scFLOW前身为CRADLE SC/Tetra，是世界最先应用于蜂窝状多面体控制体网格的商用CFD软件，具有强大的网格生成技术与高效解算性能。scFLOW开发的高效Voxel Fitting 技术可直接针对实体CAD划分网格，跳出模型修复，生成封闭流体区域，手动进行面注册，而后进行网格划分的复杂过程。此技术对于如马达这类具有数目庞大且几何复杂构件的问题，具有高度的应用价值，本文将利用此技术进行真实电动车动力马达解析。除马达本体外，马达动力输出所连接的齿轮组，也将同时纳入解析，完整考虑运作状况下，齿轮组的温度状况，协助判断润滑条件与可能的热变形对齿轮接合影响。因此，除Voxel Fitting网格生成技术，也将应用scFLOW的动态旋转不连续网格与多相流分析。

本文分析标的外观如下图：

图1-1.电动车动力马达组CAD

移去壳体后，内部结构如下图所示：

图1-2.内部结构CAD示意图

大致可分为齿轮组、马达本体、与马达的水冷管道。齿轮组除齿轮外，同时包含轴与轴承，全部将一起生成网格并分析。在传统做法上，限于复杂的几何处理，通常都切除此部分，只分析马达单体，不易了解齿轮于马达运作下的温度场。

图1-3. 齿轮与轴承组CAD

在马达本体分析上，传统最难以处理的是数量庞大且几何精细的线圈部分。以本马达为例，定子共具有96组线圈交叠如下图所示：

图1-4. 定子线圈CAD

如此复杂几何，传统上经常将之简化如下图:

图1-5. 简化之定子线圈CAD

此简化使得实际上互相独立的线圈成为一体，时常使温度预测结果偏低且过度均匀，使预测过度乐观，提高了产品设计的风险。本文将维持所有96组线圈原始几何进行网格建构与热流分析。马达外的液冷流道模组，本文将进行两组不同设计的分析比较。

图1-6. 液冷管道CAD

结果与讨论

首先检视应用scFLOW高效网格技术生成的网格是否达成我们希望保存真实几何外型的目标。整体网格外观如下图所示：

图2-1. 整体外观网格

整体外观与原始几何无异。然而更重要的是内部各项关键组件的网格特徵，限于篇幅，我们挑选最重要的代表图示，以下为齿轮组两处切面的网格分布图：

图2-2. 齿轮组切面网格

可见齿轮复杂的齧齿都能准确保留，网格也自动生成。再来，最为困难复杂的线圈部分。下图为首8组线圈的表面网格示意图。

图2-3. 首8组定子线圈表面网格

可见每一个线圈都能正确精准的单独网格划分。所有线圈表面网格如下图所示：

图2-4. 全数线圈表面网格图

显示scFLOW成功完整的将96组线圈精确的网格划分，区别于传统过度简化的方式。

最后，我们观察液冷管道网格如下图所示：

图2-5. 液冷管道网格图

在成功的运用scFLOW网格技术完整精确的生成真实几何的计算网格后，利用电磁分析软件解析本马达的热源，并导入到scFLOW，再设定相关的材质特性、马达转速等边界条件进行热流场解析。解析成果信息极为丰富，除马达内部温度外，也成功解析得到轴系、轴承、齿轮的温度分布，提供更为详尽的参考信息。限于篇幅，此处仅就几项重点观察说明:首先，单独观察前述马达分析中几何最为复杂的定子线圈分析结果。下图为隐藏部分部件后的马达温度分析结果: