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

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 初步模擬結果檢視 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

操作進度 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 初步模擬結果檢視 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 3D-CAD 模型 電磁模型 熱傳模型

實施簡介 本實作模型係一內置式磁石馬達： 電磁、熱傳耦合分析的實施 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)

電磁 (2D) 分析模型

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 Z = 0 30 mm Z = 0

熱傳 (3D) 分析模型

操作進度 JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 實施簡介 模型材料性質的設定 模型分析條件的設定 執行耦合分析 初步模擬結果檢視 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 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

耦合分析計算 雙向(2-Way)耦合： 單向(1-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

單向(1-Way)耦合分析流程 電磁模型檔 電磁分析 熱傳模型檔 (電磁+熱傳)耦合分析 本操作資料實施的部份 CAD僅馬達本體 建立網格 材料性質 分析條件 驅動電路 電磁分析 EM執行檔(.jcf) 進行電磁分析 EM結果檔(.plot) 獲致熱源數據 供兩步式(2-step)電磁熱傳分析用 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+熱傳)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 本操作資料實施的部份

JMAG(電磁 + 熱傳)耦合分析過程，數據結果的呈現 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

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 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 N步級 = 1個電磁角週期 時序 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

操作進度 模型材料性質的設定 實施簡介 JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 模型分析條件的設定 執行耦合分析 初步模擬結果檢視 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 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

建立新專案 在JMAG開啟一新專案 [File] => [New] 設定如下： 分析模組：[Thermal Analysis] [Unit]: mm [Tolerance]: 0.001 [Location]: 指定儲存路徑 [File Name]: 輸入一個專案名稱[HT_Model]

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]

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

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

磁鐵的材料參數 [Name]: Magnet 在[Thermal Conductivity]群組區 在[Specific Heat]群組區 點選[Linear] [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 20 在[Specific Heat]群組區 [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 460 在[Density]群組區 [Density [Kg/m^3]]: 7500 按[OK]

線圈的材料參數 [Name]: U-phase 在[Thermal Conductivity]群組區 在[Specific Heat]群組區 點選[Linear] [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 380 在[Specific Heat]群組區 [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 380 在[Density]群組區 [Density [Kg/m^3]]: 8600 按[OK] [Note:] 依次完成V, W相線圈材料

轉、定子鐵心/軸桿的材料參數 [Name]: Rotor Core/Stator Core/Shaft 在[Thermal Conductivity]群組區 點選[Linear] [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 23 在[Specific Heat]群組區 [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 460 在[Density]群組區 [Density [Kg/m^3]]: 7650 按[OK] [Note:] 依次完成定子鐵心材料

設定材料性質 按選 便捷鈕，框選如投影片(# 23)的範圍 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]

1. 選定材料類別 3. 2. 選定材料區塊

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]

操作進度 模型分析條件的設定 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 執行耦合分析 初步模擬結果檢視 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 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

Heat Transfer Boundary 條件設定的項目 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 [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

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

將模型儲存成[HT_Motor_003.ssv]，並關閉原始 CAD 模型

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

熱傳邊界條件 ([1]定子 環境 ) 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： 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)

選取定子鐵心上、下、徑向外側表面

1 2 4/6 3/5 7

熱傳邊界條件 ([2]轉子 環境) 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： 熱傳邊界條件 ([2]轉子 環境) 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] 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(Roto-Amb) 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： [1:] -100 [2:] 75  按[Add] [1:] 1000 [2:] 75  按[Add] 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 35) 參投影片(# 36)

選取轉子鐵心上、下側表面

1 2 4/6 3/5 7

熱傳邊界條件 ([3]線圈 氣隙) 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： 熱傳邊界條件 ([3]線圈 氣隙) 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] 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(Coil-Gap) 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： [1:] -100 [2:] 75  按[Add] [1:] 1000 [2:] 75  按[Add] 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 38) 參投影片(# 39)

選取線圈靠近氣隙側表面

1 2 4/6 3/5 7

熱傳邊界條件 ([4]轉子 氣隙) 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： 熱傳邊界條件 ([4]轉子 氣隙) 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] 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(Roto-Gap) 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： [1:] -100 [2:] 250  按[Add] [1:] 1000 [2:] 250  按[Add] 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 41) 參投影片(# 42)

選取轉子鐵心靠近氣隙側表面

1 2 4/6 3/5 7

熱傳邊界條件 ([5]定子 氣隙) 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： 熱傳邊界條件 ([5]定子 氣隙) 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] 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-Gap) 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： [1:] -100 [2:] 250  按[Add] [1:] 1000 [2:] 250  按[Add] 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 44) 參投影片(# 45)

選取定子鐵心靠近氣隙側表面

1 2 4/6 3/5 7

“Contact Thermal Resistance”條件 [Conditions] => [Create Condition] [Contact Thermal Resistance]

接觸熱阻條件 (線圈定子鐵心) 在[Contact Thermal Resistance]對話框下： 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] 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 48) 參投影片(# 49)

選取定子槽內緣側表面(與線圈接觸者)

1 2 4/6 3/5 7

接觸熱阻條件 (磁鐵轉子鐵心) 在[Contact Thermal Resistance]對話框下： 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 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： [1:] -100 [2:] 1  按[Add] [1:] 1000 [2:] 1  按[Add] 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 51) 參投影片(# 52)

選取磁鐵與轉子鐵心接觸兩側表面

1 2 4/6 3/5 7

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

初始溫度條件 在[Initial Temperature]對話框下： 按 和 便捷鈕，選取所有網格點 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 按[OK]，完成並結束設定

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

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)

熱傳等效電路模型 HTC-3

等效電路條件 (1) 在[Equivalent Circuit]對話框的[Terminal List]群組區： 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 [OK]  加入屬於 “環境”的端點，ID編號[2] 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

只完成等效電路“端點”設定的列表參投影片(# 58) 的步驟

等效電路條件 (2) 在[Equivalent Circuit]對話框的[Component List]群組區： 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)

以上為“等效電路”選項列表 此為等效電路“端點”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 此為先前“熱傳邊界條件”列表

殼體的熱容條件 殼體傳至外界的熱傳條件

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

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)

完整“等效電路”的設定 完整熱傳等效電路的設定包含兩部份： (1) 端點(Terminal List) 熱傳等效電路“端點 ” 條件列表參投影片(# 58、59) 熱傳等效電路“熱傳邊界 ” 條件列表參投影片(# 60~63) 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)

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

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

熱源產生條件 (線圈銅損“U” 相 - 續) 在[Point Sequence List]對話框： 參投影片(# 70) 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)

“U-相”銅損熱源設定結果 選取U線圈網格元素

1 2 4/6 3/5 熱源數值的比例  可藉以調整，達成結果數據的修正 7

“V-相”銅損熱源設定結果 選取V線圈網格元素

“W-相”銅損熱源設定結果 選取W線圈網格元素

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 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

熱源產生條件 (鐵損 - 續) 在[Point Sequence List]對話框： 參投影片(# 76) 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)

“轉、定子鐵心/軸桿” 鐵損熱源設定結果 定子 軸桿 轉子 選取轉、定子鐵心/軸桿網格元素

1 2 4/6 3/5 熱源數值的比例  可藉以調整，達成結果數據的修正 7

[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)

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

“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) oundar

選取 +X-軸上的轉、定子鐵心表面

“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)

在 7200 秒 區間，等分為 30 運算步級  每240秒 記錄一數據輸出 模擬的時間步級設定 影響計算結果的解析度，即“精確”程度

“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

將截至目前的設定儲存成 [HT(3D)_A_1_(1-Way).jcf]

完整的分析條件列表

操作進度 執行耦合分析 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 初步模擬結果檢視 雙向(2-Way) 單向(1-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 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 “1-Way” 耦合分析步驟

EM與HT模型之間搭配設定 實施耦合分析的步驟 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

EM 模型搭配設定： [Conditions] => [Analysis Control] 勾選 [Coupled with Thermal] ** 相關EM模型參[EM(2D)_(2-W).jcf]

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]

雙向耦合分析的步驟 在Windows系統： 在[Execute]對話框： [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

雙向耦合分析的步驟 (續) [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 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

EM模型的執行檔(*.jcf) HT模型的執行檔(*.jcf)

EM與HT模型之間搭配設定 實施耦合分析的步驟 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

EM 模型搭配設定： [Conditions] => [Analysis Control] 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]

HT模型搭配設定： [Conditions] => [Analysis Control] 點選 [Analysis Type]群組區的[Normal Run] ** 相關HT模型參[HT(3D)_(1-W).jcf]

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： 在[Execute]對話框： [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)

操作進度 初步模擬結果檢視 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 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

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]

產 熱 總 量 [W] 時間 [sec] 各物件產熱總量

平 均 溫 度 [°C] 時間 [sec] 各物件平均溫度

Heat Flux Vector (View-1)

Heat Flux Vector (View-2)

操作進度 附件：模型的簡化 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 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

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： 熱傳模型： 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)

EM (2D/3D) 結果一致性探討 1/4 (2D) 電磁模型 完全 (2D) 電磁模型 1/4 (3D) 電磁模型 [Note:] 所有分析條件完全一致 各模型共同積厚值 30 [mm]

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　

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

磁鐵平均溫昇 [Note:] 所有分析條件完全一致 各導磁性材料性質不隨溫度變化

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 總時間 [2D-EM/360°] & [3D-HT/360°] 2-Way ---　 800 1-Way 13 11 24 [2D-EM/90°] & [3D-HT/90°] 191 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

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