在电机设计和运行领域，电机转子（尤其是带有铜线圈的转子）的热传递特性对电机的性能和可靠性起着至关重要的作用。由于特定的绕组结构和材料特性，电机转子中的铜线圈通常表现出各向异性的热导率。

在电机转子热仿真研究中，绕组温度通常是电动发动机中出现的热点之一。绞合绕组是由铜线和绝缘涂层组成，各铜线之间会因绝缘涂层和表面间隙而导致热导率不同，因此如果将其建模为一个整体，我们需要考虑不同方向上极不均匀的热导率。一般情况下，沿铜线方向和垂直于铜线方向的热导率存在一到两个数量级的差异。在本次研讨中，我们将基于Ansys Fluent对包含定子和绞合线圈的电动机小扇形区域进行共轭传热分析,同时展示线圈各项异性热导率在模拟过程中的实现。

一、几何模型准备

1. 几何模型

定子的材料为钢(Steel)

线圈的材料为铜(Copper)

定义线圈的各向异性热导率为：

• 沿导线方向(Z轴)：250W/m*K

• 截面方向(X、Y轴)：2.5W/m*K

上部分为定子，下部分绿色为线圈

壁面参数：将不同换热系数的表面进行分区

几何前处理：对所有壁面进行正确的命名以便于在后续的流程中设置壁面换热系数

流程化网格划分：基于fluent meshing提供的WTM水密流程化网格划分，快速生成高质量多面体网格，最小体网格质量达到0.2，50万体网格单元。

二、案例求解设置及结果展示

1、能量方程及其材料参数设置：设置线圈和定子部分的材料参数分别为给定的参数。

其中，线圈绕组的热导率应该设置为各向异性(orthotropic),具体参数为：

2、曲面坐标系：根据线圈绕组的几何模型，为了让软件能够局部定义沿导线导线和垂直该方向的热导率，需要定义一个曲线坐标系。

• 对于曲线坐标系，需要定义两个矢量方向，而第三个方向将由Fluent自动计算得出，即这两个矢量的叉积。
• 定义曲线坐标系最常用的方法是采用指定起始和结束边界法或Jump的扩散法。在本文将展示采用指定起始和结束边界的扩散法。

综上，对于这两个方向中的每一个方向，用户都需要定义起始面和结束面，以引导Fluent计算出正确的方向矢量。

显示选择的区域，同时也可以判定选择的区域是否正确。

当两个方向都设置完成之后，点击保存，然后系统就会自动计算方向向量。

计算完成之后，可以将不同方向的向量在模型上显示，同时也可以判断是否设置正确，具体如下所示：

3、区域条件设置

• 线圈部分材料设置为coil_end(各向异性热导率),给定线圈绕组的功率密度为2×106 W/m3.材料相关的选择上一步规定的曲面坐标系的名称。

设置定子的材料为steel。

4、边界条件设置：根据前面给定的边界条件，选择对应的面给定表面换热系数。

5、求解设置

• 由于本案例中只涉及传热，不需要求解流动和湍流，因此取消这两个选项可以加快速度。

将残差收敛标准改为1e-8以确保计算收敛的程度更高。

6、报告参数设置：分别监测线圈底部和定子顶面温度的变化，以便于判定计算是否达到稳定状态。

7、初始化：根据前面域和边界条件设置的参数给定整个计算域初始值。

8、提交求解：

9、温度监视器：监视第6步中三个面的温度变化情况，结果显示三个面的温度都达到了稳定状态(收敛)。

10、结果展示：线圈绕组和定子的温度分布如下图所示，最高温度可以达到393.8K。

以上就是关于电机转子仿真中线圈热导率各向异性的介绍。引用曲线坐标系的设置能很好的定义具有曲边模型各向异性参数的设置，可以增加整个模型对于温度场求解的准确性。