第四章 熱傳分析與散熱改良
4.3 流場分析與改良
4.3.3 內部空氣流場分析與改良
馬達原型的內部空氣採用1/8 軸對稱模型來減少計算資源(圖 4-23)，只分析空 氣流場狀態，不考慮周圍固體本身的熱傳情況，僅將固體與空氣之接觸表面假設為 固定溫度。另外因為定子與轉子間的氣隙長度極小又不平滑(槽開口)，使得光是要 畫出CAD 圖就相當困難，在劃分網格時又會極大的增加元素數量或是使網格品質 變差，造成計算耗時巨大或無法收斂，因此在本次研究所有的計算資源限制下，最 好的選擇就是完全忽略掉氣隙。
首先只分析前蓋內的空氣，因為此模型沒有氣隙使前後蓋空氣相連，兩端空氣 的尺寸與邊界條件都差不多，分析結果應相去不遠。在邊界條件的設定上，將空氣 的軸對稱切面設為軸向週期界面，其他面皆設為絕熱壁，而靠近轉子之區域設為主 動旋轉區域，使用移動網格的方式給定 8000rpm 轉速，模擬馬達轉子旋轉，另一 區域則不設定整體區域的運動狀態，被動地由旋轉區域的流體帶著運動。周圍固體 表面的定溫邊界條件設定前面的熱傳分析與實驗結果，在定子鐵心表面設 90℃，
繞組表面設90℃，轉子表面設 180℃，前蓋表面設 75℃。
圖4-23 內部空氣水套網格與邊界條件
馬達原型前蓋部分的內部空氣流場的分析結果如圖 4-24，(a)中整體空氣被轉 子的轉動帶著順時鐘旋轉運動，同時從近外蓋區域往徑向運動，再從繞組端部外側 流到繞組從槽孔出來後的縫隙流回到轉子區域。以下說明之數值為1/8 模型分析得 到的數據乘8 後的結果，此時空氣的平均溫度為 113.45℃，從轉子表面傳到空氣的 熱流量是241.3W，熱量會再被空氣傳給前蓋(215.9W)、繞組(9W)、定子鐵心(16.4W)，
由此可以看到馬達內部空氣能傳導的熱量相當有限，且繞組確實會從空氣接收熱 能，應該要設法使空氣的溫度能比繞組低。
(a) 速度(m/s) (b) 溫度(K) 圖4-24 馬達原型前蓋內部空氣流場分佈圖
所以接下來要進行的風道改良，就是藉有增加轉子與水套的風道，使空氣可以 從轉子帶走更多熱量，再將熱量帶到水套傳給冷卻水。首先是在轉子上加入風道，
為配合所使用的1/8 模型，簡單的建立一個外徑 55mm、內徑 42mm 的扇形柱風道，
接著是增厚水套殼體以加入一層空氣流道，流道厚度 4mm，也在流道中留下多個 3mm 的支撐柱以維持殼體結構。光是有風道還不能使空氣通過，因此再加入風扇 使空氣在前後蓋兩個空間循環，前風扇會使空氣向中心移動進入轉子風道，後風扇 則將空氣向外排出，使空氣進入水套風道，扇葉使用寬度18.5mm、長度 12.5mm、
厚1mm 的長方體構成，每邊在 1/8 模型中各有 3 個。
另外，因為在馬達原型的空氣流場分析中會看到空氣從端部繞組的空隙流回 定子與轉子端部間的氣隙，所以為了在新設計中盡量使所有空氣通過水套風道，要 假定空隙會被導熱膠填滿，防止空氣通過空隙減少熱交換，如此一來空氣除了模型 中被忽略的氣隙外只能走水套風道來建立空氣循環。
圖4-25 風道與風扇之設計
設定邊界條件如圖 4-26，除了新增加的水套殼體外，大致沿用馬達原型分析 實的設定，水套殼體外面有與定溫25℃環境空氣的熱對流係數 5W/m2-K，內面接 觸定子鐵心設為定溫 40℃，冷卻水的接觸面參考馬達原型的水道分析結果，使用 冷卻水平均溫(25℃+33℃)/2=29℃，對流係數設為 8500 W/m2-K。
此條件下分析得到的流場如圖4-27，(a)中可以看到確實有空氣通過水套風道，
但速度不快，還在左邊的出口處形成渦流，使水道流場的順暢度並不好，散熱可能 因此變差。而溫度分佈(b)中，轉子風道的空氣呈現左冷右熱，表示空氣從左被往右 帶，經過風道表面加溫的空氣集中在右邊，但水套與轉子風道的溫度差很多，代表 空氣其實沒有很有效的形成一個循環空氣的軸向運動還是相當有限，再看(c)的前 蓋區徑向速度場圖，空氣在繞線端部附近會沿壁面向上，在中心向下，因此很多空 氣是在此處改變方向由向上變向下，實際由上方的水套風道下來的空氣並不多，再 看切向的速度場(d)，水套風道的空氣幾乎不跟著端部的空氣流道而旋轉，代表可 能空氣在端部運動太快，水套風道中靜止壁太多，會拉慢空氣，造成空氣絕大多數 被擋在入口處。(e)就可以看到左端的熱空氣會把風道內的空氣擋住，只有一小段 區域能突破進入前蓋端。
從熱流量來看，轉子給空氣 386.15W，定子繞組給空氣 12.71W，前蓋帶走 322.01W，水套風道從空氣帶走 76.85W，此時空氣的平均溫度為 97.49℃，水道風 道表面平均溫度為31.30℃、面積 0.03155 m2，由這些可以計算空氣與水套的熱阻 為0.8613K/W。
本次設計的風扇尺寸太小，沒有覆蓋整個端部道前蓋的區域，無法有效將空氣 帶入水套風道，並阻止空氣迴流，而繞組端與前蓋的間隙太小也是原因之一，使空 氣在此處阻力大又容易迴流回去，未來可以針對這些部分做改善。
(a) 水套風道速度(m/s)
(b) 溫度(K)
(c) 前蓋區徑向速度(m/s) (d) 切向速度(m/s)
(e) 水套風道溫度分佈(K，顏色)與速度場(箭頭)