高速电机风摩损耗计算及温升分析_李梅.pdf

书书书2023.3大 电 机 技 术电 机 部 分高速电机风摩损耗计算及温升分析李梅，刘爱民(沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870)摘要损耗的计算对于电机设计及性能提升具有重要意义，而风摩损耗对高速电机的设计计算尤为重要，高速电机不同于中低速电机，其风摩损耗不能仅通过经验公式计算。为此，本文以一台新型高速双凸极开关磁阻电机为实验样机，根据高速开关磁阻电机的结构特点及通风特性，以流体力学计算为基础建立了风摩损耗流体场物理模型，利用 Fluent 软件对模型进行有限元仿真计算得到风摩损耗数值，接着分析了摩擦系数及转速对风摩损耗的影响。通过 ANSYS 对电机建立三维有限元模型，将电机主要部件的损耗值换算为热密度添加到电机模型中，并对其进行热流耦合分析，考虑到电机具有水冷及轴向通风两种冷却方式，仿真对比分析了冷却流体流速对电机冷却效果的影响，结果表明:轴向通风的冷却效果比水道冷却好得多，转子最高温度可降低 100左右。关键词高速电机;风摩损耗;有限元仿真;热流耦合;温度场 中图分类号TM352 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0001-07Wind Friction Loss Calculation and Temperature ise Analysis of High-speed MotorLI Mei，LIU Aimin(College of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)Abstract:The calculation of loss is of great significance for motor design and performanceimprovement，and wind friction loss is particularly important for the calculation and design of high-speed motors High-speed motors are different from medium and low-speed motors，and wind frictionlosses cannot be calculated only through empirical formulas Therefore，this paper uses a new high-speed doubly salient switched reluctance motor as the experimental prototypeAccording to thestructural characteristics and ventilation characteristics of the high-speed switched reluctance motor，aphysical model of the wind friction loss fluid field is established based on the calculation of fluidmechanics，and the model is analyzed using Fluent software The finite element simulation calculationis carried out to obtain the value of wind friction loss，and then the influence of friction coefficient andspeed on wind friction loss is analyzed A three-dimensional finite element model of the motor isestablished through ANSYS，loss values of the main part of the motor are converted into heat densityand added to the motor model，and the heat-flow coupling analysis is carried out Considering the twocooling methods of water cooling and axial ventilation，the effect of the cooling fluid flow rate on themotor is compared and analyzed through simulation The result shows that the cooling effect of axialventilation is much better than that of water channel cooling，and the maximum temperature of therotor can be reduced by about 100Key words:high-speed motor;wind friction loss;finite element simulation;heat-flow coupling;temperature field基金项目:国家自然科学基金(51777131)0前言高速电机具有体积小、功率密度大、可直接驱动、传动效率高和可靠性高等优点。在涡轮增压器、高速机床、飞轮储能系统、直升机发动机以及气体压缩机等领域具有广阔的应用前景，也是当前国内外学者研究的重点方向之一1，2。1高速电机风摩损耗计算及温升分析2023.3关于风摩损耗的计算，在电机的设计阶段一般采用经验公式和 CFD 方法3。经验公式通常是根据某台电机的实验数据拟合而来，计算精度有限，且对电机依赖性很大，不利于推广。相较于经验公式，CFD方法的计算精度高，但计算效率较低。随着高速电机转速的提高，风摩损耗显著提高，在分析电机性能时，使用 Fluent 软件对风摩损耗进行分析计算，可以为后续更好地提升电机性能提供基础数据4。本文以一台新型高速开关磁阻电机为例，利用 Fluent 软件进行仿真计算，并得到风摩损耗数值。通过本文的方法不仅简化了风摩损耗的计算过程，而且使计算精度大大提高。本文首先建立了三维不可压缩稳态湍流数学模型，并对电机的拓扑结构以及计算风摩损耗所需的气隙物理模型进行说明。其次基于 Fluent 软件对所建立的物理模型进行迭代求解，研究摩擦系数及电机转速对风摩损耗的影响规律。然后将气隙的物理模型导入ANSYS Workbench 仿真平台，通过 Fluent 计算模块对流体进行仿真分析，求出气隙对转子表面产生的制动力矩，进而计算出该电机的风摩损耗。接着研究了摩擦系数及转速对风摩损耗的影响，为电机后续的优化设计提供理论依据。损耗的产生将影响电机的温度分布，当温度超过绝缘允许的范围时就会降低电机的使用寿命，影响电机的正常运行。控制电机的温升一方面应减少电机的损耗，另一方面应尽可能地提高电机的冷却能力。电机的冷却系统关系到电机的温升，温升又会影响电机的运行和使用寿命，因此本文考虑了水冷和风冷对电机温升的影响，使用热流耦合分析模块对温度分布进行了对比分析，对电机的设计和性能改善具有重要的参考价值和工程意义。1数学模型电机内流体的流动问题要满足物理守恒定律，其中基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律5。任何流体的流动都必须满足质量守恒定律6。根据这一定律，可以得出质量守恒方程式:t+(u)x+(v)y+(w)z=0(1)式中，为流体密度;t 为时间;u、v、w 分别为x、y、z 方向的速度。任何一个流动系统都必须满足动量守恒定律7。该定律是牛顿第二定律在流动问题中的一种应用8，x、y、z 三个方向的动量守恒方程式为:Fx1px+v2ux2+2uy2+2uz()2=dudtFy1py+v2vx2+2vy2+2vz()2=dvdtFz1pz+v2wx2+2wy2+2wz()2=dwdt(2)式中，Fx、Fy、Fz为质量力;p 为压力;v为运动黏度。能量守恒定律是流体系统进行热交换必须满足的基本定理，也是计算流固耦合问题需要满足的基本方程9。该定律实质为热力学第一定律，其方程式为:(T)t+(ut)x+(vt)y+(wt)z=xkcpT()x+ykcpT()y+zkcpT()z+ST(3)式中，T 为温度;cp为定压比热容;k 为流体的热导率，或称为导热系数;ST为流体的内热源及因黏性作用使流体机械能转换为热能的部分。2电机物理模型及风摩损耗模型建立2.1物理模型本文的研究对象为高速电机，该电机的结构为双层 6/4 极，额定转速为 20000r/min，采用两套定、转子结构。电机结构如图 1 所示，该图不含转子护套。图 1电机结构图本电机定转子为双凸极结构，属于开关磁阻电机，绕组缠绕在定子齿上。此电机的双层定转子设计是为了对电机磁路走向进行优化，区别于传统电机的径向磁路，本电机设计为轴向走磁，目的是减小漏磁，磁路结构如图 2 所示。22023.3大 电 机 技 术图 2磁路走向示意图该电 机 基 本 参 数 见 表 1，定 转 子 材 料 均 为DW310-35 硅钢片，额定功率为 3kW，额定效率为0.84。表 1实验电机基本参数参数数值定子外径/mm98转子外径/mm49定子轭高/mm8.84转子轭高/mm8.82铁芯长度/mm39气隙/mm0.32转轴直径/mm18.4定子极弧/32转子极弧/30定子极数6转子极数4相数32.2基本假设建模前，为便于仿真计算，首先对本文中使用的高速电机做一些基本假设:(1)电机定转子之间的气隙由转子高速旋转带动空气流动产生，气隙设为全流动，气隙与定转子的接触部分为运动边界;(2)在气隙的运动面上指定转子旋转速度，其他面为静止面;(3)空气与电机定转子之间为无滑移边界条件，转子表面的空气流动速度与转子转动线速度相同，定子表面空气流动速度与定子相对速度保持一致;(4)由于高速电机额定转速为 20000r/min，计算得到电机转子表面旋转角速度为 2093rad/s;(5)由于高速电机旋转速度大，标准壁面函数在高速电机气隙内不适用，故在本模型中使用非平衡壁面函数;(6)不考虑重力的影响;(7)由于本电机结构特殊，在进行仿真时认为两层转子间的气隙不相互影响，因此在建模计算时，先算出一层气隙的风摩损耗，将其乘 2 即为整个电机的风摩损耗;(8)该电机在实际生产中，会在转子外加一层护套，因此在计算风摩损耗时可忽略转子齿间气隙。2.3气隙建模风摩损耗的物理模型是由转子外径到定子内径的气隙组成，同时还包括定子齿槽的部分气隙，如图 3所示。图 3气隙建模2.4气隙边界条件设置及求解(1)将气隙模型导入 ANSYS Workbench，再对模型进行网格划分，网格的划分尤为重要，较为精细的网格划分有利于结果的收敛，边角处的网格应适当加密，计算前应检查网格质量，对于不符合要求的网格需要及时修改，直到网格质量合格;(2)单位精度应由原来的米提高至毫米;(3)定义材料属性，如果所需材料是材料库中没有的，就需要自定义添加;(4)将气隙设置为旋转边界，将其中贴近转子的面等效为滑移壁面，其速度等于转子角速度，来等效转子带着气隙旋转;(5)为气隙的各个面命名，以便导入 Fluent并被识别，对于贴近转子的流体面要特殊命名，流态选择为湍流，方程类型为 NG 型，壁面函数为增强型，收敛残差值设置为 0.00001，残差值越小，收敛精度越高;(6)气隙在 Fluent 软件中迭代求解，迭代次数应根据计算结果进行调整，以保证迭代完成后的结果满足所需精度要求。3气隙风摩损耗分析计算3.1风摩损耗的计算黏性是流体所具有的特殊性质，是存在于流体内部因产生相对运