【原创】Motor-CAD自学教程体系（9）--热分析与散热设计

点击上方 “机械电气电机杂谈 ”   点击右上角“...” 点选“设为星标 ★”，为加上机械电气电机杂谈星标，以后找夏老师就方便啦！你的星标就是我更新动力，星标越多，更新越快，干货越多！

 关注我，见证 机械设计，电气设计，电机设计从入门到弃坑全过程

本篇 原创！原创！原创！重要的事情说3遍。

 本公众号意在分享自己工作心得，生活感悟，时事评论，独立第三方

 本公众号，自建号以来，一直秉承 从入门到弃坑 的理念，全方位记录一位机械系毕业的人，工作，生活，心情，记录行业的 从入门到弃坑的全过程。欢迎各位朋友留言，关注，吐槽。

添加博主微信，进群和小夏打嘴炮，不喜欢打嘴炮的不要加博主微信

博主微信：xiamu_design

添加时须备注：真实姓名+就职单位+职务 （缺一不可，不予通过）

  哈喽，大家好，我是大家的老朋友-小小夏，这期分享给大家一些Motor-CAD自学教程，希望大家喜欢。请注意，本博文是博主原创，未经博主允许，任何人均可分享，但是不得私自转载引用。

   下面是一份市面上从未出现过的极其详尽的 Motor-CAD 自学学习计划及实际操作教程大纲与部分详细说明，整个自学教程体系旨在构建一个涵盖理论、软件操作、案例应用、故障排查、设计优化及前沿研究等全方位内容的综合课程

总体结构说明

整个教程分为十二大章节，每一模块都包含多个子章节，既注重理论讲解，又涵盖大量实际操作指导，并对每一个难点做出详细说明。

今天开始学习第八章节

热分析与散热设计

在电机运行中，电磁损耗、机械摩擦和其他工况会产生大量热能，若不能及时高效散热，将导致局部温度上升、绝缘老化，甚至整体性能下降或失效。因此，对热传导及散热设计进行深入分析至关重要。本章内容主要分为以下几大部分：

热传导、对流及辐射基本原理

电机热环境建模与温度场仿真

散热设计参数解析与散热通道建模

Motor‑CAD热仿真模块设置与结果评价

多工况下热平衡计算与安全裕度设计

与实验数据对比、精度验证与模型修正

下面对各部分进行详细说明。

8.1 热传导、对流及辐射基本原理

8.1.1 热传导基础

理论概述：

热传导描述的是热量在固体或液体介质中由温度梯度引起的扩散过程，其本质遵循傅里叶定律。傅里叶定律可表示为

其中，q为热流密度，k为材料热导率，而∇T则为温度梯度。

实际应用：

在电机中，铁芯、定子绕组、转子及散热器均存在不同的热传导情况，不同区域的热导率差异直接影响温度分布。

操作提示：

在建模时，需为每种材料准确输入其热导率，并注意单位一致性（通常采用W/m·K）。

难点解析：

材料热导率可能随温度变化，若温度变化范围较大，建议采用温度依赖模型，对比实验数据确定拟合函数；若无充分实验数据，则需引入适当裕度。

8.1.2 对流换热理论

理论概述：

对流换热涉及固体表面与流体间的热交换，其描述通常采用牛顿冷却定律：

8.1.3 热辐射分析

理论概述：

热辐射是指物体以电磁辐射形式发出和吸收热能，其基本描述依赖斯特藩-玻尔兹曼定律：

其中h为对流换热系数，Ts为表面温度，T∞为环境温度。

实际应用：

电机散热设计往往涉及风冷或液冷方式，通过调整换热器尺寸、风道形状或流速来调节hhh 值，以达到快速散热的目的。

操作提示：

采用CFD计算或实验数据获取初步换热系数，再在热仿真模型中设置相应的边界条件。

难点解析：

对流换热系数的确定受流体类型、流速、表面粗糙度等多种因素影响，如采用简化假设可能导致误差，建议在关键部位进行局部细化模拟并与实验对比。

其中ε为发射率，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数。

实际应用：

在封闭或半封闭空间内，部分热辐射会影响电机的内部温度分布，尤其在高温区域。

操作提示：

在热仿真中，将热辐射作为边界条件进行设定，输入表面发射率，必要时考虑多表面相互辐射。

难点解析：

热辐射计算受表面处理影响较大，不同表面的发射率可能存在较大差异，建议通过实验或文献查证各部件的发射率，并在敏感性分析中验证其对整体温升的影响。

关注公众号【机械电气电机杂谈】

8.2 电机热环境建模与温度场仿真

8.2.1 建模准备

几何模型导入：

利用之前几何建模章节构建的定子、转子、绕组及散热装置等三维模型，确保几何结构真实反映实际电机布局。

材料属性输入：

为各部件分别输入热导率、密度、比热容等热物理参数，确保所有数值单位统一。

操作提示：

在材料设置阶段，建立详细的材料库记录每个部件对应参数，如铁芯通常采用较高热导率，而绝缘材料则较低；同时记录温度依赖性数据（若有）。

难点解析：

部分材料的热物性参数可能因温度变化而发生较大偏差，需通过多温度数据点拟合获得准确表达式，建议引入数据验证步骤。

8.2.2 温度场边界条件设定

边界条件类型：

对流换热边界：在电机表面、散热器表面设定对流边界，输入环境温度与换热系数。

热辐射边界：对于高温区域，设定热辐射边界，输入发射率和周围温度。

热固定边界：在部分安装接口处，可能需要设定固定温度边界（如冷却水口温度）。

操作步骤：

利用热仿真模块中的“边界条件”工具，为每个开放表面选择合适的换热方式。

在属性面板中输入相应参数（如换热系数h、环境温度T∞、发射率ε 等）。

对于内部散热问题，可考虑内部对流与辐射共同作用，设置复合边界条件。

难点解析：

不同区域可能同时存在多种热传递方式，边界条件设置需确保各种热流相互叠加正确；

边界条件的设定对最终温度分布影响显著，建议进行局部精度测试与参数敏感性分析。

8.2.3 网格划分对热仿真的影响

网格要求：

为确保温度梯度捕捉精准，在电机内部尤其是热源集中区域（如绕组、永磁体附近）采用局部细化网格。

操作提示：

在热仿真前，利用网格工具对几何模型进行预先划分，并对关键部位进行手动调整，保证单元形状优良且尺寸均匀。

难点解析：

热仿真对温度场梯度敏感，若网格划分过粗可能导致温度峰值计算不准确，因此建议在关键区域进行多次网格独立性验证，并记录各方案下温度变化。

关注公众号【机械电气电机杂谈】

8.3 散热设计参数解析与散热通道建模

8.3.1 散热设计基本思路

目标与意义：

电机散热设计的主要目标是通过结构设计与冷却方式降低电机运行温度，防止局部过热，同时保证温度分布均匀。

设计思路：

散热设计通常结合结构设计（如散热片、风道布置）与外部冷却方法（风冷、液冷、复合冷却）综合考虑，从被动散热到主动冷却均要全面规划。

操作提示：

在设计初期，应明确设计指标（例如允许最高温度、温度均匀性、冷却介质流量等），并建立参数化散热通道模型，以便后期通过参数扫描优化。

难点解析：

散热设计参数涉及流体力学、传热学等多学科交叉，数据不确定性较大，建议结合CFD仿真或实验数据进行预估，并利用敏感性分析确定设计裕度。

8.3.2 散热通道与结构部件建模

散热通道设计：

利用CAD建模工具构造散热通道结构，如散热片、通风孔、风道等，将其与主体结构相连接，形成完整散热路径。

参数化设计：为散热通道各几何尺寸（例如通道截面积、长度、间距）建立参数化模型，便于批量调整与仿真比较。

操作步骤：

在几何建模阶段，单独构建散热部件模型，并通过布尔运算与主结构合并。

设定各散热部件的材料属性（如高导热铝合金或铜），并输入表面处理参数（涂层、发射率）。

在网格划分时，散热通道通常需要局部加密，确保温度梯度与流体流动充分分辨。

难点解析：

散热通道的结构设计常存在局部死角或气流分布不均问题，建议在建模后利用CFD软件或内置冷却模拟工具进行流场分析，并对不理想区域进行结构改进。

关注公众号【机械电气电机杂谈】

8.4 Motor‑CAD热仿真模块设置与结果评价

8.4.1 仿真模块基本设置

模块选择：

在Motor‑CAD中，热仿真模块通常独立或与电磁、机械场形成耦合，依据实际需求选择单场热仿真或多场耦合仿真模式。

关键设置项：

材料属性：确保温度相关热物性参数正确输入。

边界条件：对流、辐射、固定温度等边界条件必须正确设置。

求解器参数：确定求解器类型（稳态或瞬态热分析）、收敛判据、网格数据等。

操作步骤：

进入热仿真模块，载入电机完整热模型（含散热通道及所有散热构件）。

按照前述要求设置各区域材料数据和边界条件。

对求解器进行初步参数调试，观察初始温度分布，确认无明显异常后再进行全尺度仿真。

难点解析：

热仿真中，边界条件设置错误往往会导致温度分布不合理，建议采用局部预演+全局仿真对比验证。

8.4.2 仿真结果评价与数据后处理

结果评价指标：

最高温度与均值：比较电机各关键部件的最高温度是否在设计允许范围内，并统计温度分布均匀性。

温度梯度分布：分析温度梯度，重点关注高温集中区域，判断是否存在冷却死角。

热流密度图：展示各区域热流分布，帮助识别散热瓶颈。

数据后处理：

导出仿真结果数据（温度场、热流矢量等），利用内置图形工具或外部软件绘制温度等值线图、热流分布图。

进行局部放大展示，观察关键部件如绕组或散热片区域温度变化。

对比不同设计方案下的散热效果，建立标准化评价模型。

难点解析：

由于温度场受多因素影响，单一指标可能无法全面反映散热设计效果，建议同时参考多项数据指标，并结合实验或理论计算进行交叉验证。

关注公众号【机械电气电机杂谈】

8.5 多工况下热平衡计算与安全裕度设计

8.5.1 多工况热分析

工况类型：

电机在不同工作状态（额定、过载、连续运行、高环境温度等）下的热状态均不相同。

操作步骤：

定义多个仿真工况，每个工况设置不同的激励条件、环境温度和冷却参数。

分别运行热仿真，记录各工况下的温度分布与关键指标。

通过参数扫描工具，分析各工况下热平衡状态及温度峰值变化规律。

难点解析：

不同工况下模型响应可能存在较大差异，建议采用组合仿真模式，并对关键工况进行高精度局部仿真，确保数据充分可靠。

8.5.2 安全裕度设计

设计原则：

基于热仿真结果，确定设计安全裕度，确保在最恶劣工况下电机温度仍低于材料及绝缘系统的安全极限。

具体措施：

增加冷却路径、优化散热结构或采用主动冷却措施。

设置温度预警系统，根据仿真数据制定实际运行监控方案。

操作提示：

将各工况下最高温度与设计极限进行对比，确定安全裕度，并在设计文档中给出裕度建议；

同时，建立试验验证流程，对关键温度点进行在线监测与记录。

难点解析：

安全裕度设计易受工况及参数不确定性影响，建议在设计过程中采用统计方法对多个工况进行叠加评价，并辅以实验验证，以确保裕度可靠。

8.6 与实验数据对比、精度验证与模型修正

8.6.1 实验数据对比

实验验证意义：

通过与实验温度数据、热流数据对比，验证仿真模型的准确性，为后续参数修正提供依据。

操作步骤：

在实际电机运行中，安装温度传感器和热流计，在关键部位采集数据；

将实验数据与仿真输出进行对比分析，寻找偏差原因；

分析可能的误差来源，如材料参数、边界条件设定或网格划分误差。

难点解析：

实验数据可能因测量精度及外部环境影响产生波动，建议在实验阶段进行充分统计，并设置重复实验以降低偶然误差。

验证方法：

采用网格独立性验证、参数敏感性分析和多工况比对，对比仿真结果与实验数据，识别模型系统性偏差。

利用误差指标（如温度误差百分比）确定是否需要修正模型。

操作步骤：

汇总各工况下仿真与实验数据，绘制偏差曲线；

针对偏差较大区域，回顾材料参数、边界条件等设置，依据文献和实验数据进行修正；

修正后重新运行仿真，直至模型预测与实验数据吻合在预定误差范围内。

难点解析：

修正过程可能是反复迭代的过程，涉及多参数联合优化，建议利用自动化敏感性扫描工具和优化算法辅助分析，并记录每次修改后的结果，以便建立修正数据库。

 以上即为第八章：热分析与散热设计的全面、深刻、细致且具有极强实际操作性的扩展说明，内容涵盖从基础理论、建模准备、仿真设置、结果评价到多工况验证与模型修正的所有必要细节，完整的热分析指导方案。