開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)流場(chǎng)分析及風(fēng)摩損耗計(jì)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(jì)算軟件FLuENT，對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了流場(chǎng)的2D、3D分析。在流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)處理得到風(fēng)摩損耗。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)壁面粗糙度對(duì)流場(chǎng)計(jì)算有重要影啊。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近，驗(yàn)證了通過(guò)流場(chǎng)分析計(jì)算風(fēng)摩損耗的可行性，為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段風(fēng)摩損耗大小的確定以及效率計(jì)算提供了參考。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；數(shù)值模擬；粗糙度；風(fēng)摩耗
O前言
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組，也沒有永磁體，因此很適合高速運(yùn)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(yùn)行時(shí)，在低速運(yùn)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(yùn)行效率，因此在高速電機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)可行的辦法在電機(jī)設(shè)計(jì)階段確定此風(fēng)摩損耗，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式，但是經(jīng)驗(yàn)公式往往是根據(jù)具體某一臺(tái)電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得，對(duì)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(chǎng)密切相關(guān)，傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算風(fēng)阻，將流場(chǎng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為風(fēng)路然后計(jì)算。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)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(duì)電機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)分析，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理進(jìn)而得到風(fēng)摩損耗。通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值模擬，不但可以得到滿足工程需要的流場(chǎng)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(jì)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(dòng)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，帶“x”區(qū)域?yàn)槎ㄗ永@組嵌放區(qū)域。為了更好地固定繞組，將定子槽填滿，對(duì)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(duì)后一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)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(dòng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational FluidDynamics，簡(jiǎn)稱cFD)是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算對(duì)流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析。進(jìn)行cFD數(shù)值模擬包括三個(gè)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(wèn)題的幾何模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分。一般來(lái)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(duì)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(chǎng)邊界條件，保存并導(dǎo)出網(wǎng)格文件。
1．2 2流場(chǎng)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(duì)所求解的問(wèn)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(dòng)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(yùn)行環(huán)境；
(4)決定計(jì)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(chǎng)，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(jì)算模型，重新求解。
1．2 3風(fēng)摩耗的計(jì)算
本文開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的流場(chǎng)模擬是針對(duì)自冷式；流場(chǎng)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(dòng)機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，以轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，假設(shè)轉(zhuǎn)子以角速度ω(rad／s)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩有：逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩Te，順時(shí)針空氣對(duì)轉(zhuǎn)子的摩擦阻力矩Tf，以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL．，如圖3所示。可以得到電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程如下：
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