開關磁阻電動機流場分析及風摩損耗計算
陳鵬，朱憲然，魚振民
(西安交通大學，陜西西安710049)
摘要：采用cFD計算軟件FLuENT，對開關磁阻電動機進行了流場的2D、3D分析。在流場分析的基礎上，經(jīng)過處理得到風摩損耗。計算結果發(fā)現(xiàn)壁面粗糙度對流場計算有重要影啊。計算結果和實驗數(shù)據(jù)非常接近，驗證了通過流場分析計算風摩損耗的可行性，為開關磁阻電動機設計階段風摩損耗大小的確定以及效率計算提供了參考。
關鍵詞：開關磁阻電動機；數(shù)值模擬；粗糙度；風摩耗
O前言
開關磁阻電動機是一種新型驅(qū)動系統(tǒng)，電機轉子上既無繞組，也沒有永磁體，因此很適合高速運行，例如用于航空電源、高速壓縮機等。但是當電機高速運行時，在低速運行工況下并不起主導作用的風摩損耗將急劇增加，嚴重影響電機運行效率，因此在高速電機設計中不得不考慮風摩損耗的影響。到目前為止還沒有一套切實可行的辦法在電機設計階段確定此風摩損耗，一般采用經(jīng)驗公式，但是經(jīng)驗公式往往是根據(jù)具體某一臺電機實驗數(shù)據(jù)擬合而得，對電機依賴性很大，不利于推廣。
眾所周知，風摩損耗和電機中流場密切相關，傳統(tǒng)電機設計通過計算風阻，將流場問題簡化為風路然后計算。由于開關磁阻電動機研究歷史比較短，結構為雙凸極，因此還沒有形成如傳統(tǒng)電機那樣的風摩損耗圖表。為克服這一困難，本文采用數(shù)值模擬的方法對電機進行流場分析，然后對計算結果進行處理進而得到風摩損耗。通過流場數(shù)值模擬，不但可以得到滿足工程需要的流場數(shù)值解，而且可以很方便地修改湍流模型、模型幾何尺寸、邊界條件等與計算有關的參數(shù)，省錢省力、周期短、靈活性強，因此數(shù)值模擬應用廣泛。
1數(shù)理模型
1 l物理模型
開關磁阻電動機為雙凸極結構，定子極上有集中繞組，轉子上既沒有繞組也沒有永磁體，簡化結構如圖1所示，帶“x”區(qū)域為定子繞組嵌放區(qū)域。為了更好地固定繞組，將定子槽填滿，對定子進行封裝的結構十分常見，如圖2所示，本文將針對后一種結構進行流場模擬。
1．2數(shù)值模型
流體基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，具體方程見參考文獻[2]相關內(nèi)容。計算流體動力學(computational FluidDynamics，簡稱cFD)是在流動基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數(shù)值模擬，通過計算機數(shù)值計算對流體流動和熱傳導進行分析。進行cFD數(shù)值模擬包括三個基本環(huán)節(jié)：前處理、求解和數(shù)據(jù)處理。
l 2 1前處理
本文采用的前處理軟件是Gambit 2. O。在前處理階段，需要在軟件中完成下面的工作：首先，定義求解問題的幾何模型，然后進行網(wǎng)格剖分。一般來講，網(wǎng)格越密，單元越多，所得到的解精度越高，在此基本原則之下還需要注意：一是網(wǎng)格質(zhì)量；二是對復雜求解區(qū)域，很可能先分區(qū)，然后再剖分容易成功；第三要注意近壁面網(wǎng)格的處理。最后初步定義流場邊界條件，保存并導出網(wǎng)格文件。
1．2 2流場求解
本文數(shù)值模擬采用的軟件為FLuENT 6．1，它是目前處于世界****地位的cFD軟件之一。軟件中需要對所求解的問題進行模型設置，具體設置參見后面的仿真技術，流程如下：
(1)啟動FLuENT求解器；
(2)導入網(wǎng)格，進行網(wǎng)格檢查；
(3)選擇求解器以及運行環(huán)境；
(4)決定計算模型，例如，是否耦合能量方程，是否考慮粘性、湍流模型等；
(5)設置材料屬性，定義邊界條件；
(6)調(diào)整控制求解的有關參數(shù)，初始化流場，然后求解；
(7)顯示、保存求解結果；
(8)如有必要調(diào)整網(wǎng)格或者計算模型，重新求解。
1．2 3風摩耗的計算
本文開關磁阻電動機的流場模擬是針對自冷式；流場分析得到的摩擦損耗只是空氣摩擦部分，忽略軸承摩擦。以電動機為例，根據(jù)電機運動方程，以轉子為研究對象，假設轉子以角速度ω(rad／s)逆時針旋轉，那么轉子上的轉矩有：逆時針方向的電磁轉矩Te，順時針空氣對轉子的摩擦阻力矩Tf，以及負載轉矩TL．，如圖3所示。可以得到電機運動方程如下：
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