摘 要

隨電動化交通工具的快速普及，高功率馬達的熱管理越顯重要，因此以計算流體力學CFD進行熱管理分析設計是一項重要工作。熱設計好壞，事關產品的效能、壽命、安全性。然而馬達內部結構幾何繁雜細小且復雜，傳統方式難以生成符合實物的精密網格。如果對模型進行幾何簡化，又會犧牲結果的精準性，且費時耗工。

本文運用Cradle CFD 創新網格技術Voxel Fitting網格，能夠有效解決此類問題。以水冷電動馬達為例進行網格生成與計算分析，此馬達原始的所有復雜問題，包括繞線、挖槽、間隙、流路等等，全部被完整正確的自動網格化描述。基于此，可以進行精密的水冷溫度場分析，更進一步，還可以變更兩種水冷流路設計，利用此技術進行散熱結果分析比較。結果顯示，此技術確實可穩健、快速、精確的協助高功率馬達的熱管理設計工作。

(資料圖片僅供參考)

關鍵字:馬達熱管理 Motor Thermal Management、計算流體力學 CFD、電動車 EV

前 言

隨電動化交通工具的快速普及，高功率馬達的熱管理越顯重要。發展趨勢對馬達輸出功率需求不斷提升，同時又希望壓縮馬達體積便于應用，由此會造成熱密度的快速增加，導致馬達溫升大幅提高。過高的馬達溫度不利于馬達的壽命、可靠度，也會影響到馬達的電磁性能。因此如何對高熱密度的電動馬達進行熱管理設計成為一個重要課題。馬達在內部結構復雜且復雜機構運動形式下，高速運轉時，內部熱流場極難以實驗進行量測，但是計算流體力學CFD能夠克服此問題，提供內部精細的物理現象數據供設計參考，因此也成為馬達熱管理分析設計一項不可或缺的工具。然而高功率馬達的結構十分復雜，在進行數值模擬分析時往往會遭遇許多困難。傳統方法會對許多復雜的幾何進行簡化，但這些簡化造成了許多物理現象的遺失或誤差，可能會誤導設計判斷。另一方面，困難繁瑣的模擬過程也抑制了設計人員應用CFD的意愿。因此，如何開發先進的數值模擬技術，特別是極度復雜幾何的快速網格劃分技術，對于高功率馬達精確有效的熱管理設計至關重要。Cradle CFD中創新式Voxel Fitting 網格生成技術，可以用于克服前述問題。本文將應用此技術，對電動車動力廠，包含電動馬達、連接輸出齒輪組與軸承，進行維持真實幾何不做簡化的完整分析，探討了解此技術可達成的成果。

研究方法

本文使用了Cradle CFD軟件所開發的scFLOW模塊。scFLOW前身為CRADLE SC/Tetra，是世界最先應用于蜂窩狀多面體控制體網格的商用CFD軟件，具有強大的網格生成技術與高效解算性能。scFLOW開發的高效Voxel Fitting 技術可直接針對實體CAD劃分網格，跳出模型修復，生成封閉流體區域，手動進行面注冊，而后進行網格劃分的復雜過程。此技術對于如馬達這類具有數目龐大且幾何復雜構件的問題，具有高度的應用價值，本文將利用此技術進行真實電動車動力馬達解析。除馬達本體外，馬達動力輸出所連接的齒輪組，也將同時納入解析，完整考慮運作狀況下，齒輪組的溫度狀況，協助判斷潤滑條件與可能的熱變形對齒輪接合影響。因此，除Voxel Fitting網格生成技術，也將應用scFLOW的動態旋轉不連續網格與多相流分析。

本文分析標的外觀如下圖：

圖1-1.電動車動力馬達組CAD

移去殼體后，內部結構如下圖所示：

圖1-2.內部結構CAD示意圖

大致可分為齒輪組、馬達本體、與馬達的水冷管道。齒輪組除齒輪外，同時包含軸與軸承，全部將一起生成網格并分析。在傳統做法上，限于復雜的幾何處理，通常都切除此部分，只分析馬達單體，不易了解齒輪于馬達運作下的溫度場。

圖1-3. 齒輪與軸承組CAD

在馬達本體分析上，傳統最難以處理的是數量龐大且幾何精細的線圈部分。以本馬達為例，定子共具有96組線圈交疊如下圖所示：

圖1-4. 定子線圈CAD

如此復雜幾何，傳統上經常將之簡化如下圖:

圖1-5. 簡化之定子線圈CAD

此簡化使得實際上互相獨立的線圈成為一體，時常使溫度預測結果偏低且過度均勻，使預測過度樂觀，提高了產品設計的風險。本文將維持所有96組線圈原始幾何進行網格建構與熱流分析。馬達外的液冷流道模組，本文將進行兩組不同設計的分析比較。

圖1-6. 液冷管道CAD

結果與討論

首先檢視應用scFLOW高效網格技術生成的網格是否達成我們希望保存真實幾何外型的目標。整體網格外觀如下圖所示：

圖2-1. 整體外觀網格

整體外觀與原始幾何無異。然而更重要的是內部各項關鍵組件的網格特徵，限于篇幅，我們挑選最重要的代表圖示，以下為齒輪組兩處切面的網格分布圖：

圖2-2. 齒輪組切面網格

可見齒輪復雜的齧齒都能準確保留，網格也自動生成。再來，最為困難復雜的線圈部分。下圖為首8組線圈的表面網格示意圖。

圖2-3. 首8組定子線圈表面網格

可見每一個線圈都能正確精準的單獨網格劃分。所有線圈表面網格如下圖所示：

圖2-4. 全數線圈表面網格圖

顯示scFLOW成功完整的將96組線圈精確的網格劃分，區別于傳統過度簡化的方式。

最后，我們觀察液冷管道網格如下圖所示：

圖2-5. 液冷管道網格圖

在成功的運用scFLOW網格技術完整精確的生成真實幾何的計算網格后，利用電磁分析軟件解析本馬達的熱源，并導入到scFLOW，再設定相關的材質特性、馬達轉速等邊界條件進行熱流場解析。解析成果信息極為豐富，除馬達內部溫度外，也成功解析得到軸系、軸承、齒輪的溫度分布，提供更為詳盡的參考信息。限于篇幅，此處僅就幾項重點觀察說明:首先，單獨觀察前述馬達分析中幾何最為復雜的定子線圈分析結果。下圖為隱藏部分部件后的馬達溫度分析結果:

可見本分析十分精確的解析出每一個獨立線圈的溫度分布，精準的呈現其差異。各線圈末端溫度不再如傳統簡化為一體而被均勻化。局部相對高溫或低溫都能精確的模擬，有助于精準的設計判斷。

最后，我們觀察兩種不同液冷流道設計之結果差異。此處圖式流道中呈現為液體壓力值，其余部件展示的是溫度。

圖3-2. 流道A分析結果

圖3-3. 流道B分析結果

兩例的環境溫度都為攝氏20度。可見流道分析A流道內之壓力變化不大，壓損不顯著，而對應之馬達溫度較高。流道B流道內壓損顯著，對應的馬達溫度較低。

另值得注意的是，本分析可清楚觀察到透過馬達與輸出齒輪組的同時分析，馬達與齒輪間的熱傳遞得以解析，可見齒輪溫度達80度以上。

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結 論

本文應用Cradle CFDscFLOW 高效網格技術，成功對高功率馬達包含齒輪組與軸承等詳細部件，并進行完整真實幾何的熱流場解析，以避免因過度簡化造成的簡化誤差。解析結果顯示，保留真實幾何的解析確實呈現更為合理精細的成果，展示了此應用技術將可以協助高效率電動馬達的熱管理分析設計。