开关磁阻电动机流场分析及风摩损耗计算
陈鹏，朱宪然，鱼振民
(西安交通大学，陕西西安710049)
摘要：采用cFD计算软件FLuENT，对开关磁阻电动机进行了流场的2D、3D分析。在流场分析的基础上，经过处理得到风摩损耗。计算结果发现壁面粗糙度对流场计算有重要影啊。计算结果和实验数据非常接近，验证了通过流场分析计算风摩损耗的可行性，为开关磁阻电动机设计阶段风摩损耗大小的确定以及效率计算提供了参考。
关键词：开关磁阻电动机；数值模拟；粗糙度；风摩耗
O前言
开关磁阻电动机是一种新型驱动系统，电机转子上既无绕组，也没有永磁体，因此很适合高速运行，例如用于航空电源、高速压缩机等。但是当电机高速运行时，在低速运行工况下并不起主导作用的风摩损耗将急剧增加，严重影响电机运行效率，因此在高速电机设计中不得不考虑风摩损耗的影响。到目前为止还没有一套切实可行的办法在电机设计阶段确定此风摩损耗，一般采用经验公式，但是经验公式往往是根据具体某一台电机实验数据拟合而得，对电机依赖性很大，不利于推广。
众所周知，风摩损耗和电机中流场密切相关，传统电机设计通过计算风阻，将流场问题简化为风路然后计算。由于开关磁阻电动机研究历史比较短，结构为双凸极，因此还没有形成如传统电机那样的风摩损耗图表。为克服这一困难，本文采用数值模拟的方法对电机进行流场分析，然后对计算结果进行处理进而得到风摩损耗。通过流场数值模拟，不但可以得到满足工程需要的流场数值解，而且可以很方便地修改湍流模型、模型几何尺寸、边界条件等与计算有关的参数，省钱省力、周期短、灵活性强，因此数值模拟应用广泛。
1数理模型
1 l物理模型
开关磁阻电动机为双凸极结构，定子极上有集中绕组，转子上既没有绕组也没有永磁体，简化结构如图1所示，带“x”区域为定子绕组嵌放区域。为了更好地固定绕组，将定子槽填满，对定子进行封装的结构十分常见，如图2所示，本文将针对后一种结构进行流场模拟。
1．2数值模型
流体基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，具体方程见参考文献[2]相关内容。计算流体动力学(computational FluidDynamics，简称cFD)是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟，通过计算机数值计算对流体流动和热传导进行分析。进行cFD数值模拟包括三个基本环节：前处理、求解和数据处理。
l 2 1前处理
本文采用的前处理软件是Gambit 2. O。在前处理阶段，需要在软件中完成下面的工作：首先，定义求解问题的几何模型，然后进行网格剖分。一般来讲，网格越密，单元越多，所得到的解精度越高，在此基本原则之下还需要注意：一是网格质量；二是对复杂求解区域，很可能先分区，然后再剖分容易成功；第三要注意近壁面网格的处理。最后初步定义流场边界条件，保存并导出网格文件。
1．2 2流场求解
本文数值模拟采用的软件为FLuENT 6．1，它是目前处于世界****地位的cFD软件之一。软件中需要对所求解的问题进行模型设置，具体设置参见后面的仿真技术，流程如下：
(1)启动FLuENT求解器；
(2)导入网格，进行网格检查；
(3)选择求解器以及运行环境；
(4)决定计算模型，例如，是否耦合能量方程，是否考虑粘性、湍流模型等；
(5)设置材料属性，定义边界条件；
(6)调整控制求解的有关参数，初始化流场，然后求解；
(7)显示、保存求解结果；
(8)如有必要调整网格或者计算模型，重新求解。
1．2 3风摩耗的计算
本文开关磁阻电动机的流场模拟是针对自冷式；流场分析得到的摩擦损耗只是空气摩擦部分，忽略轴承摩擦。以电动机为例，根据电机运动方程，以转子为研究对象，假设转子以角速度ω(rad／s)逆时针旋转，那么转子上的转矩有：逆时针方向的电磁转矩Te，顺时针空气对转子的摩擦阻力矩Tf，以及负载转矩TL．，如图3所示。可以得到电机运动方程如下：
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