JMAG 進階實作 [ 電磁 + 熱傳 ] 耦合分析 (Rev. 03)

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JMAG 進階實作 [ 電磁 + 熱傳 ] 耦合分析 (Rev. 03)

勢流科技陳桂村

03 / 11 / 2010

2

內容• 實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析

• 單向 (1-Way)• 雙向 (2-Way)

• 初步模擬結果檢視• 附件：模型的簡化

維度 (2D / 3D) 局部 ( 週期分數 ) 模型簡化可行性探討

3

• 實施簡介實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析




3D-CAD 模型電磁模型熱傳模型

操作進度

4

實施簡介 • 本實作模型係一內置式磁石馬達：

– 模型取材自 JMAG-Studio 安裝光碟的內建練習檔• 但是， CAD 模型設定方式略有不同；請直接啟用本課程相關模型 (*.

sat) 檔案，進行熱傳模組部份之操作練習投影片 (# 6)

• 進行本練習之前，須先行完成相關電磁模型建構或模擬結果• 電磁、熱傳耦合分析的實施

– EM 模組產生電磁分析模型， HT 模組產生熱傳分析模型– 耦合分析可採行的方式投影片 (# 9 ~ 12) ：

• 單向 (1-Way) ：先完成 EM 分析，再進行 HT 分析• 雙向 (2-Way) ：運用 [Analysis Tool] 介面，同步 (EM+HT) 耦合分析

– 若干“實驗”參數需事先獲致，以增進模擬結果的準確性• 熱傳系數 (HTC, W/m2˙˚C), 接觸熱阻 (Thermal Resistance, W/m˙˚C)

5

電磁 (2D) 分析模型

6

3D-CAD 模型

JMAG 操作環境中，電機主體 ( 轉、定子、磁鐵 )的 3D 模型底部，座落在Z = 0 的 X-Y 面上

30 mm

Z = 0

7

熱傳 (3D) 分析模型

8

• 實施簡介• JMAG(JMAG( 電磁電磁 ++ 熱傳熱傳 )) 耦合分析的流程耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析




耦合分析計算運用時機

單向 (1-Way) 耦合分析流程雙向 (2-Way) 耦合分析流程

操作進度

9

• 雙向 (2-Way) 耦合：– EM 和 HT 模型毋須事先完成各別分析結果，故又稱“直接”耦合– 計算流程參投影片 (# 11 、 12)– 運用時機：

• 模擬溫昇過程與電機電磁現象即時交互變化的情形，如：磁鐵材料的熱退磁

• 相關材料須包含各溫度的導磁性質• “2D- 電磁模型” 耦合 “ 3D- 熱傳模型”的熱傳分析參投影片 (#

104)

• 單向 (1-Way) 耦合：– EM 模型須事先完成分析結果，再由 HT 模型擷取 EM 的損耗結果

資料而獨自完成熱傳分析，故又稱“間接”耦合– 模擬流程參投影片 (# 10)– 運用時機：只考慮在特定溫度電磁分析的結果所呈現的熱傳現象

耦合分析計算

10

電磁模型檔電磁模型檔

CAD 僅馬達本體建立網格材料性質分析條件驅動電路

熱傳模型檔熱傳模型檔

CAD 大致與 EM 模型一致建立網格 ( 不含空

氣 ) 材料性質分析條件

(( 電磁電磁 ++ 熱傳熱傳 )) 耦合分析耦合分析• 自 EM 分析結果載入熱源數據：

各種熱源 • 銅損• 鐵損 ( 含磁滯損、渦流損 )

• 熱傳暫態分析

電磁分析電磁分析

1. EM 執行檔 (.jcf)• 進行電磁分析

2. EM 結果檔 (.plot)• 獲致熱源數據• 供兩步式 (2-step) 電磁熱傳分析用

本操作資料實施的部份

單向 (1-Way) 耦合分析流程

11

雙向 (2-Way) 耦合分析流程

JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析過程，數據結果的呈現

12

熱傳分析

電磁分析

設定初始溫度計算步級 1 計算步級 2

計算步級1 ~ N

平均損耗平均損耗

N 步級 = 1 個電磁角週期

時序

計算步級N+1 ~ 2N

JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析計算時，數據資料的傳遞與流向

(2-Way) 損耗和熱傳分析計算

13

• 實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析




建立新專案載入 3D-CAD 檔組件的材料

磁鐵材料參數線圈材料參數轉、定子 / 軸桿材料參數

設定材料性質完整的材料表

操作進度

14

建立新專案• 在 JMAG 開啟一新專案• [File] => [New]• 設定如下：

1) 分析模組： [Thermal Analysis]

2) [Unit]: mm

3) [Tolerance]: 0.001

4) [Location]: 指定儲存路徑5) [File Name]: 輸入一個專案名稱 [HT_Model]

15

16

載入 3D-CAD 檔

• [File] => [Import] => [SAT] 選取 [3D_IPM_00.SAT] ，然後按 [ 開啟 ] 參投影片 (# 17)

• [File] => [Export] => [Save Data] 將 CAD 模型儲存成 [HT_Motor_01.ssv]

17

載入 [3D_IPM_01.SAT]CAD 模型將 CAD 模型儲存成 [HT_Motor_01.ssv]

18

組件的材料• [Conditions] => [Modify Materials]• 在 [Material List] 對話框下，各別組件的材料：

磁鐵 : Magnet 線圈 : U 、 V 、 W 轉、定子鐵心、軸桿 : Rotor Core / Stator Core / Shaft

• 點選一項材料，按 [Modify] 出現各別材料設定對話框

19

• [Name]: Magnet• 在 [Thermal Conductivity] 群組區

• 點選 [Linear]

• [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 20

• 在 [Specific Heat] 群組區• 點選 [Linear]

• [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 460

• 在 [Density] 群組區• 點選 [Linear]

• [Density [Kg/m^3]]: 7500

• 按 [OK]

磁鐵的材料參數

20

• [Name]: U-phase• 在 [Thermal Conductivity] 群組區

• 點選 [Linear]





• [Density [Kg/m^3]]: 8600

• 按 [OK]

[Note:] 依次完成 V, W 相線圈材料

線圈的材料參數

21

• [Name]: Rotor Core/Stator Core/Shaft• 在 [Thermal Conductivity] 群組區

• 點選 [Linear]





• [Density [Kg/m^3]]: 7650

• 按 [OK]

[Note:] 依次完成定子鐵心材料

轉、定子鐵心 / 軸桿的材料參數

22

設定材料性質• 按選便捷鈕，框選如投影片 (# 23) 的範圍• [Conditions] => [Modify Materials] [Material List] 對話框

– 點選 [Assignment] 群組區中的 [Region]• 步驟 1: 點選 [ID] = 3 的 [Thermal Analysis Material Stator Core] 材料項• 步驟 2: 使定子鐵心的物件呈選取狀態• 步驟 3: 按 [Apply]

• [File] => [Export] => [Save Data]– 將設定好材料性質的模型更新儲存 [HT_Motor_01.ssv]

23

1. 選定材料類別

3.

2. 選定材料區塊

24

完整的材料表• 材料參數設定完成後， [Material List] 如圖所示：

材料性質設定完整後，將模型更新仍然儲存成 [HT_Motor_02.ssv]

25

• 實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型模型分析條件的設定分析條件的設定• 執行耦合分析




條件設定項目的列表模型的網格熱傳邊界條件接觸熱阻條件初始溫度條件熱傳等效電路組成

有關等效電路裡各項熱傳參數

熱源產生條件 [Heat Source Type] 運用

局部模型條件 “Time Step” 條件 “Analysis Control” 條件完整的分析條件列表

操作進度

26

條件設定的項目

[ 註 :] 各求解模式之條件的設定，請參考第 10.0 版的相關手冊： (1) JMAG-Studio User’s Manual (Pre/Post): Ch. 10 p. 495 (2) JMAG-Studio User’s Manual (Solver): Ch. 3 p. 321

分析條件設定內容

1 Analysis Control 參投影片 (# 83 、 84)

2 Time Step 參投影片 (# 81 、 82)

3 Partial Model 參投影片 (# 78 ~ 79)

4 Heat Transfer Boundary[1] 定子環境 [2] 轉子環境 [3] 線圈氣隙 [4] 轉子氣隙 [5] 定子氣隙

5 Contact Resistance [1] 線圈定子 [2] 磁鐵轉子

6 Heat Source 線圈銅損 ( 三項 ) / 鐵心鐵損 ( 一項 )

7 Equivalent Circuit 模型各別物件的整體熱傳網路關係

27

模型的網格• [Mesh] => [Automatic Generation]

在 [Automatic Generation] 對話框下，按 [By Size] 標籤頁• 依 [Element Size]欄內所列之各組件的元素尺寸，輸入各別值• 每完成一組件的輸入值，按 [Update]

按 [Generate Mesh] 以生成網格，參投影片 (# 28 、 29)

• [File]] => [Export] => [SSV]– 將此網格模型儲存成 [HT_Motor_003.ssv]

[ 註： ] 後續，可依需要調整網格尺寸參數，調節網格疏密程度

28

29

網格生成後，原始 CAD 與網格模型將同時出現將模型儲存成 [HT_Motor_003.ssv] ，並關閉原始 CAD 模型

30

“Heat Transfer Boundary” 條件• [Conditions] => [Create Condition]

– [Heat Transfer Boundary]

31

熱傳邊界條件 ([1] 定子環境 )

• 在 [Heat Transfer Boundary] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取定子鐵心上、下、徑向外側表面– 按 [Target] 群組區的 [Setting]

– 點選 [Apply to Equivalent Circuit Condition]

– 在 [Heat Transfer Coefficient] 群組區：– 點選 [Point Sequence]

– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: HTC(Stat-Amb)

– 在 [Edit Point Sequence] 群組區，輸入如下：• [1:] -100 [2:] 150 按 [Add]

• [1:] 1000 [2:] 150 按 [Add]

– 按 [OK] ，完成並結束設定

參投影片 (# 32)

參投影片 (# 33)

32選取定子鐵心上、下、徑向外側表面

33

1

2

3/5

4/6

7

34

• 在 [Heat Transfer Boundary] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取轉子鐵心上、下側表面– 按 [Target] 群組區的 [Setting]



– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: HTC(Roto-Amb)


• [1:] 1000 [2:] 75 按 [Add]


參投影片 (# 35)

參投影片 (# 36)

熱傳邊界條件 ([2] 轉子環境 )

35選取轉子鐵心上、下側表面

36

1

2

3/5

7

4/6

37

• 在 [Heat Transfer Boundary] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取線圈靠近氣隙側表面– 按 [Target] 群組區的 [Setting]



– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: HTC(Coil-Gap)


• [1:] 1000 [2:] 75 按 [Add]


參投影片 (# 38)

參投影片 (# 39)

熱傳邊界條件 ([3] 線圈氣隙 )

38

選取線圈靠近氣隙側表面

39

1

2

3/5

4/6

7

40

• 在 [Heat Transfer Boundary] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取轉子鐵心靠近氣隙側表面– 按 [Target] 群組區的 [Setting]



– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: HTC(Roto-Gap)


• [1:] 1000 [2:] 250 按 [Add]


參投影片 (# 41)

參投影片 (# 42)

熱傳邊界條件 ([4] 轉子氣隙 )

41選取轉子鐵心靠近氣隙側表面

42

1

2

3/5

4/6

7

43

• 在 [Heat Transfer Boundary] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取定子鐵心靠近氣隙側表面– 按 [Target] 群組區的 [Setting]



– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: HTC(Stat-Gap)


• [1:] 1000 [2:] 250 按 [Add]


參投影片 (# 44)

參投影片 (# 45)

熱傳邊界條件 ([5] 定子氣隙 )

44選取定子鐵心靠近氣隙側表面

45

1

2

3/5

4/6

7

46

“Contact Thermal Resistance” 條件

• [Conditions] => [Create Condition]– [Contact Thermal Resistance]

47

接觸熱阻條件 ( 線圈定子鐵心 )

• 在 [Contact Thermal Resistance] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取定子槽內緣側表面 ( 與線圈接觸者 )

– 按 [Target] 群組區的 [Setting]

– 點選 [Contact Thermal Resistance]

– 在 [Contact Thermal Resistance] 群組區：– 點選 [Point Sequence]

– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: Coil-Stator

– 在 [Edit Point Sequence] 群組區，輸入如下：• [1:] -100 [2:] 0.5 按 [Add]

• [1:] 1000 [2:] 0.5 按 [Add]


參投影片 (# 48)

參投影片 (# 49)

48選取定子槽內緣側表面 ( 與線圈接觸者 )

49

1

2

3/5

4/6

7

50

接觸熱阻條件 ( 磁鐵轉子鐵心 )

• 在 [Contact Thermal Resistance] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取磁鐵與轉子鐵心接觸表面– 按 [Target] 群組區的 [Setting]

– 點選 [Contact Thermal Resistance]

– 在 [Contact Thermal Resistance] 群組區：– 點選 [Point Sequence]

– 按 [Setting]

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Add] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: Mag-Roto


• [1:] 1000 [2:] 1 按 [Add]


參投影片 (# 51)

參投影片 (# 52)

51選取磁鐵與轉子鐵心接觸兩側表面

52

1

2

3/5

4/6

7

53

“Initial Temperature” 條件• [Conditions] => [Create Condition]

– [Initial Temperature]

54

• 在 [Initial Temperature] 對話框下：– 按和便捷鈕，選取所有網格點– 按 [Target] 群組區的 [Setting]

– [Initial Temperature] 群組區：• [Constant [Celsius]] ： 20


初始溫度條件

55

“Equivalent Circuit” 條件• [Conditions] => [Create Condition]

– [Equivalent Circuit]

56

熱傳等效電路組成• 等效電路組成內容：

– 端點 (Terminals):

• 氣隙、環境 ( 周邊空氣 )

– 熱傳構成物件 (Components):

• 熱傳邊界 – 先前 5 項熱傳邊界條件與相關端點的對應

– 以上均請參投影片 (# 57)

57

熱傳等效電路模型

HTC-3

58

等效電路條件 (1)

• 在 [Equivalent Circuit] 對話框的 [Terminal List] 群組區：– 按 [Add] ，出現 [Terminal] 對話框：

• [Initial Temperature [Celsius]]: 20

• 按 [OK] 加入屬於 “氣隙”的端點， ID編號 [1]

– 按 [Add] ，出現 [Terminal] 對話框：• [Initial Temperature [Celsius]]: 20

• 按 [OK] 加入屬於 “環境”的端點， ID編號 [2]

– 按 [Add] ，出現 [Terminal] 對話框：• [Initial Temperature [Celsius]]: 20

• 按 [OK] 加入屬於 “殼體”的端點， ID編號 [3]

[ 註： ] 參投影片 (# 59) 關於等效電路“端點”的設定

59

只完成等效電路“端點”設定的列表參投影片 (# 58) 的步驟

60

等效電路條件 (2)

• 在 [Equivalent Circuit] 對話框的 [Component List] 群組區：– 按 [Add] ，出現 [Component] 對話框

• 依投影片 (# 57) ，“ Component Type” 內容包含：– [Component ID 1] ~ [Component ID 5]

• [Heat Transfer Boundary Condition (FEM)] 參投影片 (# 61) 相關設定步驟• 將先前已設定的 5 個 [Heat Transfer Boundary] 條件結合在 ‘等效熱傳電路’中

– [Component ID 6]• 殼體的熱容條件

– [Component ID 7]• 殼體傳至外界的熱傳條件

– [Component ID 8]• 馬達內部 (空間環境 ) 與殼體之間的熱阻條件

– [Component ID 9]• 馬達內部 (空間環境 ) 的熱容條件

參投影片 (# 62)

參投影片 (# 63)

61

此為先前“熱傳邊界條件”列表

此為等效電路“端點”列表

以上為“等效電路”選項列表

[ 註 ] 後續，依投影片 (# 60~61) 以及上述步驟，加入屬於等效電路組件的熱傳邊界 (2~5) 設定

62

殼體的熱容條件

殼體傳至外界的熱傳條件

63

馬達內部 (空間環境 )與殼體之間的熱阻條件

馬達內部 (空間環境 ) 的熱容條件

64

有關等效電路裡各項熱傳參數• [Equivalent Thermal Circuit] 裡各項熱傳參數隨模型局部簡

化而須進行調整，以本範例 (1/4 簡化 )說明如下：– 儘管 EM 模型也實施簡化，但都藉 [Periodic Boundary] 而還原四倍，並在耦合分析時，傳佈至 HT 模型

– HT 模型的 [Equivalent Thermal Circuit] 以內各項熱傳路徑，相關熱傳係數值隨模型局部簡化而必須等比例 (1/4) 縮減，例如：

• “Component ID 6: Heat Capacitor” ： 5 原始值為 [20]

• “Component ID 7: Heat Transfer” ： 130 原始值為 [420]

• “Component ID 8: Thermal Resistance” ： 27.2 原始值為 [6.8]

• “Component ID 9: Heat Capacitor” ： 0.075 原始值為 [0.3]

• 除了等效電路裡各項熱傳參數值等比例縮減，尚須搭配 [Partial Model] 條件設定參投影片 (# 78 ~ 80)

65

完整“等效電路”的設定

熱傳等效電路“熱傳邊界 ”條件列表參投影片 (# 60~63)

熱傳等效電路“端點 ”條件列表參投影片 (# 58 、 59)

完整熱傳等效電路的設定包含兩部份：(1) 端點 (Terminal List)(2) 組成件 (Component List)

66

“Heat Source” 條件• [Conditions] => [Create Condition]

– [Heat Source]

67

熱源產生條件 ( 線圈銅損 “ U” 相 )

• 在 [Heat Source] 對話框：– 按便捷鈕選取 “ U- 相” 線圈的網格元素– 按 [Target] 群組區的 [Setting]– 在 [Heat Source Condition Type] 群組區：

• 點選 [Coupled Analysis]– [Coupling Type] ：

• One Way 進行 “間接耦合”分析• Two Way 進行 “直接耦合”分析

– [Heat Source Type] ： Total Amount – [Heat Source Calculation Condition ID] ： 1

• 對應於 ‘ EM’ 模型裡的 “ U- 相” 熱源項– [PlotFile] ：選 EM 模型的結果檔 (*.plot)– [JCF File] ：選 EM 模型的執行檔 (*.jcf)

[Note(1):] 與熱傳耦合相關的電磁執行檔 (*.jcf) 及結果檔 (*.plot) ，須置放同一資料夾內[Note(2):] 關於 [Heat Source Type] 運用，參投影片 (# 77)

參投影片 (# 69)

“直接耦合”勿須設定

68

熱源產生條件 ( 線圈銅損“ U” 相 - 續 )

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Setting] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: Scale

– 在 [Edit Point Sequence] 群組區，輸入如下：• [1:] 0 [2:] 1 按 [Add]

• [1:] 1000000 [2:] 1 按 [Add]

[Note ： ] 依投影片 (# 66 ~ 69) 步驟，逐一加入 V 、 W 相線圈的銅損熱源

“V” 相銅損設定參投影片 (# 71 、 70)“W” 相銅損設定參投影片 (# 72 、 70)

參投影片 (# 70)

69

選取 U 線圈網格元素

“U- 相”銅損熱源設定結果

70

1

2

3/5

4/6

7熱源數值的比例可藉以調整，達成結果數據的修正

71

選取 V 線圈網格元素

“V- 相”銅損熱源設定結果

72

選取 W 線圈網格元素

“W- 相”銅損熱源設定結果

73

熱源產生條件 ( 鐵損 )

• 在 [Heat Source] 對話框：– 按便捷鈕選取 “轉、定子鐵心 / 軸桿” 的網格元素– 按 [Target] 群組區的 [Setting]

– 在 [Heat Source Condition Type] 群組區：• 點選 [Coupled Analysis]

– [Coupling Type] ：• One Way 進行 “間接耦合”分析• Two Way 進行 “直接耦合”分析

– [Heat Source Type] ： Distribution

– [PlotFile] ：選 EM 模型的鐵損結果檔 (*_loss.plot)

– [JCF File] ：選 EM 模型的執行檔 (*.jcf)

[Note:] 熱傳耦合相關的電磁執行檔 (*.jcf) 及鐵損結果檔 (*_loss.plot) ，須置放同一資料夾內

參投影片 (# 75)

“直接耦合”勿須設定

74

熱源產生條件 ( 鐵損 - 續 )

• 在 [Point Sequence List] 對話框：– 按 [Setting] 鈕，出現 [Edit Point Sequence] 對話框：– [Name]: Scale

– 在 [Edit Point Sequence] 群組區，輸入如下：• [1:] 0 [2:] 1 按 [Add]

• [1:] 1000000 [2:] 1 按 [Add]

參投影片 (# 76)

75

選取轉、定子鐵心 /軸桿網格元素

“ 轉、定子鐵心 /軸桿” 鐵損熱源設定結果

軸桿

轉子

定子

76

1

2

3/5

4/6

7熱源數值的比例可藉以調整，達成結果數據的修正

77

[Heat Source Type] 運用• 參 JMAG-Studio (v. 10) [Pre/Post] 操作手冊

– § 10-2-9 Heat source (p. 515 ~ 519)

• 有關 [Total Amount] 的應用：– 熱傳模擬採用電磁分析的結果檔進行分析，即熱源係以設定於是電磁分

析的熱源條件為主– 在耦合 ( 直接、間接 ) 分析中選擇 “ Total Amount” ，其相關之電磁模型

裡，須設定相互呼應的 “ Heat Source” 分析條件• 有關 [Distribution] 的應用：

– 熱傳模擬係採用損耗檔 (*.loss) 以及電磁分析的結果檔進行分析• 即熱源是在模型裡的電磁損耗或鐵損• 需分別選定相關的結果檔 (Plot/Loss File) ，以及執行檔 (*.jcf)

78

“Partial Model” 條件• [Conditions] => [Create Condition]

– [Partial Model]

79

“Partial Model” 條件• 在 [Partial Model] 對話框：

– 在 [Periodicity / Symmetry] 群組區：• 點選 [Rotational]

– 在 [Rotational Periodicity] 群組區：• 點選 [Do Not Use Periodic Boundary Condition]

– 在 [Plane Boundary:] 項• 選取 +X- 軸上的轉、定子鐵心表面

– [Angle (deg)] 90– 按 [OK]

參投影片 (# 80)

80

選取 +X- 軸上的轉、定子鐵心表面

81

“Time Step” 條件• [Conditions] => [Modify Condition]

• 在 [Condition List] 對話框選 [Time Step] 項，按 [Modify]

• 在 [Time Step] 對話框：– 點選 [Time] 群組區的 [Regular Interval]

– [End Point [sec]]: 7200

– [Number of Division]: 30

– 按 [OK]

參投影片 (# 82)

82

模擬的時間步級設定影響計算結果的解析度，即“精確”程度

在 7200 秒區間，等分為 30 運算步級每 240 秒記錄一數據輸出

83

“Analysis Control” 條件• [Conditions] => [Modify Condition]

• 在 [Condition List] 對話框選 [Analysis Control] 項，按 [Modify]

• 在 [Analysis Control] 對話框：– [Title]: HT Model

– 在 [Analysis type] 群組區：• 點選 [Normal Run]

– 在 [Steady/Transient] 群組區：• 點選 [Transient State]

– [Number of Analysis Steps]: 37

– [Nonlinear Number of Iteration]: 1000

– [Nonlinear Iteration Convergence Tolerance]: 0.001

– 接受其他內定選項– 按 [OK]

• 將設定完成的模型儲存成 [HT_Motor_04.ssv]

總共模擬時間 8880 秒

84

將截至目前的設定儲存成[HT(3D)_A_1_(1-Way).jcf]

85

完整的分析條件列表

86

• 實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析執行耦合分析

• 雙向 (2-Way)• 單向 (1-Way)



執行“雙向 / 直接”耦合分析 EM 模型之搭配設定 HT 模型之搭配設定 “2-Way” 耦合分析步驟

執行“單向 / 間接”耦合分析 EM 模型之搭配設定 HT 模型之搭配設定 “1-Way” 耦合分析步驟

操作進度

87

執行“雙向 / 直接”耦合分析

• EM 與 HT 模型之間搭配設定• 實施耦合分析的步驟

88

EM 模型搭配設定：• [Conditions] => [Analysis Control]• 在 [Analysis Control] 對話框：

– 勾選 [Coupled with Thermal]

** 相關 EM 模型參 [EM(2D)_(2-W).jcf]

89

HT 模型搭配設定：• [Conditions] => [Analysis Control]• 在 [Analysis Type] 對話框：

– 點選 [Coupling with Magnetic Field/Electromagnetic Wave]

• 其他設定與 [HT(3D)_(1-W).jcf] 同

** 相關 HT 模型參 [HT(3D)_(2-W).jcf]

90

雙向耦合分析的步驟• 在 Windows 系統：

– [ 開始 ] => [ 程式集 ] => [JMAG-Studio 10.0] => [Analysis Tool]

• 在 [Execute] 對話框：– 按 [Add] ，從儲存路徑開啟 EM 模型即 [EM(2D)_(2-W).jcf]– 在 [Properties] 群組區：

• 勾選 [Show Status]

• 勾選 [Coupling]

– 在 [Coupling] 群組區：• 從 [File Path] 開啟 HT 模型即 [HT(3D)_(2-W).jcf]• 勾選 [Use Different Mesh for Each Analysis]

• 勾選 [Loss Averaging]

• 勾選 [Specify Range]– [Step]: 90

91

雙向耦合分析的步驟 (續 )

– 在 [Loss Range] 群組區：• [Lower Limit (m)] ： 0• [Upper Limit (m)] ： 0.03

– 按 [Run]

[Note:](1) 指定 2D-EM 模型損耗配佈空間 (積厚 ) 與 3D-HT 模型對應範圍(2) 與投影片 (# 92) 的設定對照

92

EM 模型的執行檔 (*.jcf)

HT 模型的執行檔 (*.jcf)

93

執行“單向 / 間接”耦合分析

• EM 與 HT 模型之間搭配設定• 實施耦合分析的步驟

94

EM 模型搭配設定：• [Conditions] => [Analysis Control]• 在 [Analysis Control] 對話框：

– 取消勾選 [Coupled with Thermal]

• 完成電磁分析，獲得結果檔– [EM(2D)_(1-W).jcf]– [EM(2D)_(1-W).plot]

** 相關 EM 模型參 [EM(2D)_(1-W).jcf]

95

HT 模型搭配設定：• [Conditions] => [Analysis Control]• 在 [Analysis Control] 對話框：

– 點選 [Analysis Type] 群組區的 [Normal Run]

** 相關 HT 模型參 [HT(3D)_(1-W).jcf]

96

單向耦合分析的步驟執行 HT 模型模擬之前，須先完成相關 EM 分析• 在 Windows 系統：

– [ 開始 ] => [ 程式集 ] => [JMAG-Studio 10.0] => [Analysis Tool]

• 在 [Execute] 對話框：– 按 [Add] ，從儲存路徑開啟 HT 模型即 [HT(3D)_(1-W).jcf]– 在 [Properties] 群組區：

• 勾選 [Show Status]

– 按 [Run]

• 分析計算時間：總共 3 (min) 建議採用 !– EM 模型： 1.5 (min)

– HT 模型： 1.5 (min)

97

• 實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析

• 單向 (1-Way)

• 雙向 (2-Way)

• 初步模擬結果檢視初步模擬結果檢視• 附件：模型的簡化


開啟結果檔各物件產熱總量各物件平均溫度整體模型暫態溫度變化與分佈

操作進度

98

開啟結果檔• [File] => [Open]

– 從結果資料存放路徑開啟 [HT(3D)_(1-Way).plot] 檔• [Results] => [Total Amount of Heat Generation] => [History]

– 投影片 (# 99)

• [Results] => [Average Temperature] => [History]– 參投影片 (# 100)

• [Results] => [Heat Flux Vector] => [Contour]– 參投影片 (# 101 、 102)

• [Results] => Temperature Transient Variation => [Animation]– 參動態結果檔 [Temp Animation.avi]

99各物件產熱總量

時間 [sec]

產熱總量[W]

100各物件平均溫度

時間 [sec]

平均溫度

[°C]

101

Heat Flux Vector (View-1)

102

Heat Flux Vector (View-2)

103

• 實施簡介• JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程• 模型材料性質的設定• 模型分析條件的設定• 執行耦合分析

• 單向 (1-Way)

• 雙向 (2-Way)

• 初步模擬結果檢視• 附件：模型的簡化附件：模型的簡化


耦合模型簡化簡化模型的組配模型簡化可行性探討模型簡化模擬時間、資源執行 [2DEM]+[3DHT] 耦合分析

操作進度

104

耦合模型簡化 • 簡化目的：減少分析網格數量，縮減計算時間、硬體負荷• 電磁模型：

– 週期簡化考量：幾何週期 / 電氣週期之間的共同 (公倍數 ) 週期• 衍生條件週期性邊界 (Periodic Boundary)

– 維度簡化限制： (3D 2D)• 線性材料不具有軸方向邊端效應之非線性磁通變化• 轉換因數各別部件 ( 如：轉子鐵心、定子鐵心、磁鐵 )積厚不同

• 熱傳模型：– 熱傳模型一律採取 3D 模型熱傳為三維物理現象– 耦合模擬中的熱傳模型，其週期簡化的限制：模型範圍不能大於

電磁模型的範圍– 耦合模型 ( 維度 / 局部簡化 ) 的時間考量參投影片 (# 105)

105

EM (2D/3D) 結果一致性探討

1/4 (2D) 電磁模型 1/4 (3D) 電磁模型完全 (2D) 電磁模型

[Note:] (1)所有分析條件完全一致(2)各模型共同積厚值 30 [mm]

106

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

0 30 60 90 120 150 180

旋轉角 (deg)

線圈

感應

電壓

(V

)

EM(2D)-090 (U)EM(2D)-360 (U)EM(3D)-090 (U)

107

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 30 60 90 120 150 180

旋轉角 (deg)

線圈

電流

(A

)

EM(2D)-090 (U)EM(2D)-360 (U)EM(3D)-090 (U)

108

0

3

6

9

12

15

0 30 60 90 120 150 180

旋轉角 (deg)

焦耳

損 (

W)

EM(2D)-090EM(2D)-360EM(3D)-090

109

　 EM(2D)-090 (Avg) EM(2D)-360 (Avg) EM(3D)-090 (Avg)

Torque (Nm, Avg) 4.4555 4.3866 4.2528

Err (%) 4.8 3.1 基準值　

110

耦合 (2D/3D) 結果一致性探討

“單向 / 間接”耦合分析

“雙向 / 直接”耦合分析

+

+

+ “單向 / 間接”耦合分析

111

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60 80 100 120 140 160

時間 (Min)

磁鐵

平均

溫度

(C

)

(2DEM-360)(3DHT-360)-[1-Way]

(2DEM-360)(3DHT-360)-[2-Way]

(2DEM-090)(3DHT-090)-[1-Way]

[Note:] (1)所有分析條件完全一致(2)各導磁性材料性質不隨溫度變化

磁鐵平均溫昇

112

耦合模型 ( 局部簡化 ) 的時間考量

耦合模型組合分析模式EM

計算時間(Min)

HT

計算時間(Min)

總時間(Min)

[2D-EM/360°] & [3D-HT/360°] 2-Way --- 　 --- 　 800

[2D-EM/360°] & [3D-HT/360°] 1-Way 13 11 24

[2D-EM/90°] & [3D-HT/90°] 2-Way --- 　 --- 　 191

[2D-EM/90°] & [3D-HT/90°] 1-Way 1.5 1.5 3

[Note:] 90° 模型幾何採取 1/4 局部簡化 360° 模型幾何未採取局部簡化

113

參考文獻• JSOL Co., “Thermal Analysis of An IPM Motor,” JMAG Application Cata

log, JAC018, 2007.

• 陳桂村 , “JMAG 案例實作 --風扇馬達 ( 電磁 & 熱傳耦合 )”, 勢流科技公司技術資料 , 2007.

• 陳桂村 , “ 直得線性馬達 3D- 熱傳模型製作” , 勢流科技公司技術資料 , 2007.

• 李惠民、陳桂村 , “ 變壓器電磁與熱傳分析” , JMAG 2009 (臺北 )研討會 , 2009.

• JSOL Co., “JMAG User’s Manual (Solver) – Version 10.0”

• JSOL Co., “JMAG User’s Manual (Pre/Post) – Version 10.0”

Documents

JMAG 進階實作 [ 電磁 + 熱傳 ] 耦合分析 (Rev. 03)