此案例使用Hexagon模擬軟體: Cradle CFD
本文轉貼自熱管理產業通訊 第68期 12~16頁。作者：曾翌維、張振閱、安東裕也
單位：應用熱流分析中心股份有限公司
摘 要
隨電動化交通工具的快速普及，高功率馬達之熱管理越顯重要。因此以電腦計算流體力學CFD進行熱
管理分析設計是一項重要工作。熱設計良窳，事關產品之效能、壽命、安全性。然而馬達內部結構幾
何細微複雜，傳統方式難以產生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特別的Voxel Fitting網格生成技術，有效解決此困難點；以
一水冷電動馬達為例，進行網格生成與計算分析。此馬達原始之所有複雜特徵，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。因此得以進行精密之水冷溫度場分析。
更進一步，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。顯示此技術確實可穩健、快
速、精確的協助高功率馬達之熱管理設計工作。
關鍵字〡馬達熱管理（Motor Thermal Management）、計算流體力學（CFD）、電動車（EV）。
壹、前言
隨電動化交通工具的快速普及，高功率馬達之熱管理越顯重要。整體趨勢為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於應用；如此造成熱密度的快速增加，導致馬達溫升大幅提高。而過高的馬達溫度不利於馬達的壽命、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。而馬達是為一轉動運作機械且構造複雜在運轉狀態下，內部熱流場極難以實驗進行量測了解，而電腦計算流體力學 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複雜，在
進行數值模擬分析時往往會遭遇許多困難。傳統作法上，時常對許多複雜的幾何進行簡化；但這些簡化造成了需多物理現象的遺失或誤差，可能誤導了設計判斷。另方面，困難繁瑣的模擬過程也抑制了設計人員應用 CFD 的意願。因此，如何開發先進的數值模擬技術，特別是極度複雜幾何的快速網格建構技術，對於高功率馬達精確有效的熱管理設計，至關重要。據此，CRADLE CFD發展高效之 Voxel Fitting 網格生成技術，以克服前述問題。本文將應用此技術，對一電動車動力廠，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之成果。
貳、研究方法
本文使用之 CFD 軟體為 CRADLE CFD 所開發之 scFLOW。scFLOW 前身為 CRADLE SC/Tetra，是世界首先應用蜂巢控制體積網格之商用 CFD 軟體。具有強大的網格產生技術與高效解算性能。scFLOW 開發之高效 Voxel Fitting 技術可直接針對實體 CAD 進行網格產生作業，跳脫傳統需布林運算流體區域，手動進行面註冊，而後進行網格產生的繁複過程。此技術對於如馬達這類具有數目龐大且幾何複雜構件的問題，具有高度的應用價值，本文將利用此技術進行一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之齒輪組，也將同時納入解析，完整考慮運作狀況下，齒輪組之溫度狀況，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 之動態旋轉不連續網格與多流體分析。本文分析標的外觀如圖一移去殼體後，內部構造如圖二大致可分為齒輪組、馬達本體、與包覆馬達之水冷管道。齒輪組除齒輪外，同時包含軸與軸承，全數將一起進行網格建構與解析；在傳統作法上，限於複雜的幾何處理，通常都切除此部分，只分析馬達單體，不易了解齒輪於馬達運作下的溫度場如圖三。而馬達本體分析上，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 組線圈交疊如圖四。如此複雜幾何，傳統上經常將之簡化如圖五，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。包覆於馬達外之液冷流道模組，本文將進行兩組不同設計之分析比較如圖六。
參、結果與討論
首先檢視應用 scFLOW 高效網格技術建構之網格是否適切達成我們希望保存真實幾何外型的目標。整體網格外觀如圖七。
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之網格特徵，限於篇，我們挑選最重要之代表圖示如圖八為齒輪組兩處切面之網格分布圖可見齒輪複雜的齧齒都被正確保留，網格也適切產生。再來，我們檢視最為困難複雜的線圈部分。圖九為首 8 組線圈的表面網格圖示。可見每一個線圈都被正確精準的單獨網格化。所有線圈網格套疊顯示如圖十。
顯示 scFLOW 成功完整的將 96 組線圈精確的網格化，得以跳脫傳統過度簡化的方式。最後，我們觀察液冷管道之網格如圖十一。在成功的運用 scFLOW 網格技術完整精確的產生保留真實幾何的計算網格後；利用電磁分析軟體解析本馬達之熱源匯入 scFLOW，再設定相關之材質特性、馬達轉速等邊界條件進行熱流場解析。解析成果資訊極為豐富，除馬達內部溫度外，也成功解析得到軸系、軸承、齒輪之溫度分布，提供更為詳盡的參考資訊。限於篇幅，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繁複的定子線圈分析結果。圖十二為隱藏部分構件後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被精確的模擬，有助於精準的設計判斷。最後，我們檢視兩種不同液冷流道設計之結果差異。此處圖式流道中如圖十三、圖十四呈現為液體壓力值，其餘物件呈現為溫度值。
兩例之環境溫度都為 20 °C。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，對應之馬達溫度較低如表一。
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現象得以解析，可見齒輪溫度達80 °C以上。
肆、結論
本文應用 CRADLE CFD scFLOW 高效網格技術，成功對一高功率馬達包含輸出齒輪組與軸承進行保留真實幾何之熱流場解析；以避免因過度簡化造成的過度誤差。解析結果顯示，保留真實幾何之解析確實呈現更為合理精細的成果；顯示此應用技術將可以效協助高效率電動馬達之熱管理分析設計。
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