開關(guān)磁阻電動機(jī)流場分析及風(fēng)摩損耗計算
陳鵬，朱憲然，魚振民
(西安交通大學(xué)，陜西西安710049)
摘要：采用cFD計算軟件FLuENT，對開關(guān)磁阻電動機(jī)進(jìn)行了流場的2D、3D分析。在流場分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過處理得到風(fēng)摩損耗。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)壁面粗糙度對流場計算有重要影啊。計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)非常接近，驗證了通過流場分析計算風(fēng)摩損耗的可行性，為開關(guān)磁阻電動機(jī)設(shè)計階段風(fēng)摩損耗大小的確定以及效率計算提供了參考。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動機(jī)；數(shù)值模擬；粗糙度；風(fēng)摩耗
O前言
開關(guān)磁阻電動機(jī)是一種新型驅(qū)動系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)等。但是當(dāng)電機(jī)高速運行時，在低速運行工況下并不起主導(dǎo)作用的風(fēng)摩損耗將急劇增加，嚴(yán)重影響電機(jī)運行效率，因此在高速電機(jī)設(shè)計中不得不考慮風(fēng)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(jī)設(shè)計階段確定此風(fēng)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(jī)實驗數(shù)據(jù)擬合而得，對電機(jī)依賴性很大，不利于推廣。
眾所周知，風(fēng)摩損耗和電機(jī)中流場密切相關(guān)，傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計通過計算風(fēng)阻，將流場問題簡化為風(fēng)路然后計算。由于開關(guān)磁阻電動機(jī)研究歷史比較短，結(jié)構(gòu)為雙凸極，因此還沒有形成如傳統(tǒng)電機(jī)那樣的風(fēng)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(jī)進(jìn)行流場分析，然后對計算結(jié)果進(jìn)行處理進(jìn)而得到風(fēng)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(guān)的參數(shù)，省錢省力、周期短、靈活性強(qiáng)，因此數(shù)值模擬應(yīng)用廣泛。
1數(shù)理模型
1 l物理模型
開關(guān)磁阻電動機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子極上有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既沒有繞組也沒有永磁體，簡化結(jié)構(gòu)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(jìn)行封裝的結(jié)構(gòu)十分常見，如圖2所示，本文將針對后一種結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xiàn)[2]相關(guān)內(nèi)容。計算流體動力學(xué)(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(jī)數(shù)值計算對流體流動和熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析。進(jìn)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(jìn)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(fù)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(dǎo)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(jìn)行模型設(shè)置，具體設(shè)置參見后面的仿真技術(shù)，流程如下：
(1)啟動FLuENT求解器；
(2)導(dǎo)入網(wǎng)格，進(jìn)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(shè)置材料屬性，定義邊界條件；
(6)調(diào)整控制求解的有關(guān)參數(shù)，初始化流場，然后求解；
(7)顯示、保存求解結(jié)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(fēng)摩耗的計算
本文開關(guān)磁阻電動機(jī)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(jī)為例，根據(jù)電機(jī)運動方程，以轉(zhuǎn)子為研究對象，假設(shè)轉(zhuǎn)子以角速度ω(rad／s)逆時針旋轉(zhuǎn)，那么轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩有：逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩Te，順時針空氣對轉(zhuǎn)子的摩擦阻力矩Tf，以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL．，如圖3所示�？梢缘玫诫姍C(jī)運動方程如下：
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