由于对高速电机要进行流体场和温度场的分析

由于对高速电机要进行流体场和温度场的分析，所以对样机主要参数和尺寸作一简要说明,这里包括6槽，12槽，和24槽的样机尺寸。

（1）样机额定数据

额定功率：P N = 75 kW

额定电压：U N = 500 V

相数：m = 3

极数：2p = 2

额定效率：ηN = 90%

功率因数：cosφ = 0.95

额定转速：n N = 60000 r/min

额定频率：f N = pn N /60 = 60000/60 = 1000 Hz

额定相电流：I N = P N / (3U N) = 75000/(3×500) = 86.6A

冷却方式：空气冷却

（2）定子尺寸

气隙长度：δ = 1 mm

定子内径：D i1= 66 mm

铁心长选取：l t = 135 mm

（3）定子槽型尺寸

定子冲片设计，如图2.3所示

上面描述了三台样机共同的基本数据，下面分别确定6、12、24槽高速电机定子的基本尺寸，表2.1中分别列出6槽、12槽、24槽电机的定子基本尺寸。其中前面的符号所代表的具体部位可从图中找出。其中N为每相串联匝数。

表2.1 不同槽数电机定子的基本尺寸

Table 2.1 Stator Design of Different Slots

6槽12槽24槽

b01(mm) 4 3 2

b11(mm) 14 6.8 3.4

h01(mm) 1 1 1

h11(mm) 2 2 2

基于FLUENT 的高速永磁电机流体场分析与风摩耗计算

2.5.1 CFD 简介

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics ，简称CFD ）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD 的基本思想是把真实世界时间域和空间域上连续的物理量，用一系列离散的有限的点上的变量值得集合模拟，通过一定的原则和方式建立起关于

R 1(mm) 109 90 90 R 2(mm) 4 3 2 b t1(mm) 22.6 16.2 8.1 h j1(mm) 26 26 26 D i1(mm) 66 66 66 D i2(mm) 270 270 270 S i1(mm 2) - 198 99 S i2(mm 2)

2160

899

449

i2

S 图2.3定子槽尺寸图

Fig.2.3 Dimension of Stator Slot

这些离散点上场变量之间关系得代数方程组，通过求解代数方程组，得到场变量的近似解[44]。

流体是CFD的研究对象，流体基本性质和流动状态决定着CFD计算模型及计算方法的选择。为了对模型进行CFD计算，可以使用商用软件来完成。其基

本的计算流程为

FLUENT

流固耦合传热等问题的解决。实质上讲，FLUENT软件只是一个求解器，它可以导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料属性、求解和后处理。而前处理软件可以有多样化的选择，使用最广泛的是GAMBIT软件，它可以进行实际物理模型的两维和三维的建模，可以采用结构化和非结构化网格对复杂的求解区域进行网格划分，提供给FLUENT进行CFD分析。

2.5.2 模型的建立

实验样机由于电机体积小，单位体积的损耗大，需要对电机定转子进行较好散热。样机采用轴向强迫风冷，用外接轴流式风机对电机进行冷却。这样，就需要分析了解电机内部的气流场的情况，并对转子表面风摩耗进行分析计算。

对高速电机的建模和网格划分是利用GAMBIT 软件进行的，此软件操作采用了GUI方式，可以大大缩短用户熟悉软件的时间，更易于用户上手。建模的步骤分输入点的坐标，连线，围面和构造体。点的坐标可以通过读取相应二维模型的AUTOCAD 文件来获取。把构造模型的各点用线连接起来，构造出模型的二维几何结构。根据实际样机的结构将各独立的几何面划分出来。建好各面之后将各面沿Z方向拉伸，长度与电机定子轴向长度相同，这样一个三维的样机模型就建立起来了。若要对这个模型进行流体场分析就需要对其进行网格划分，网格划分是按照各个体的顺序进行的，原则是流体场变化大的地方比如气隙就要细剖，流体场变化小的可以粗剖，保证网格数量适中。由于样机是轴对称结构所以在建模的时候只需要建模型的六分之一、十二分之一和二十四分之一就可以了，这样做既可以减少网格数量和降低模型复杂度而且可以提高计算的精度。网格划分之后就是定义各边界条件，模型中各内风道的入口处施加速度入口边界条件，出口施加压力出口边界条件，对称面施加周期性边界条件，应该特别指出的是转子表面应先取一个较特别的名字，以避免和其他面混淆。然后定义好流体和固体所在的体就可以了，将两种类型的体区分开来，取上不同的名字。三维模型图在下面的章节中会介绍到，这里就不加以展示了。

2.5.3 模型的求解

对流体场的求解是利用FLUENT软件进行的，该软件只负责模型的求解和后处理，所以要把在GAMBIT中的网格文件导入到FLUENT中。在计算之前应先检查网格是否符合要求，如果网格不符合要求，就要回到GAMBIT中重新划分网格，直到网格文件通过检查。下一步是改变单位制，将原来以m为单位的模型改为以mm为单位的模型，缩小1000倍。再接下来就是选择计算模型，如果进行温度场的求解就要选中能量求解项，如果电机通风道内的空气流态时湍流的就要选择相应湍流求解模型。接下来是定义各材料属性，如果软件的属性库中没有相应的材料就要自定义材料属性，保存到数据库中。然后加载边界条件，对

于流体定义材料为air，对于固体定义相应得材料属性，如果只分析流体场，固体材料属性不需要定义，然后对于速度入口的边界条件给定速度，出口边界条件给定0相对压力，即与大气压相同。然后就可以初始化计算模型进行迭代求解了，迭代求解的循环次数要根据计算结果收敛情况来定，运算直到计算达到要求的精度为止。

2.5.4 后处理

通过FLUENT中display选项可以观察通风道的空气流动速度以及流体流态，还可以观测通风道内压力分布情况。

2.6 通风计算仿真结果分析

通过流体场的分析，当转子转速从10000r/min变化到60000r/min时电机通风道内的流体场情况如下图所示，从图中可以看出随着转速的增大，气隙内的风速逐渐增大，从22.2m/s增大至71.6m/s，而且转子转速对气隙流体流速影响越来越大。

由于气隙内不同气流层间会产生速度差，这样不同气流层间就会产生较大的相对摩擦，摩擦引起较大风摩耗。电机转子表面速度和气隙的表面情况会对风摩耗产生较大影响。通过对流体场的分析，可以得到不同工况下风摩耗的大小，比如转子速度、转子表面粗糙度、通风道的结构等等。图2.8要说明的是转子转速对风摩耗的影响，当转子转速从24000r/min增加到60000r/min时，电机风摩耗从186W增加到了792W，而且从图中可以看出损耗增加的速度大于转子转速增加的速度，对于两者之间具体存在什么关系，可以通过数学上的数据拟合来实现，通过数据拟合，发现风摩耗的大小大约和转子转速的1.84次幂成正比，几乎和转子转速的平方成正比，从这个结果可以看出，为什么在高速电机中风摩耗所占的比重如此大，要作为重点考虑，而在普通工频电机中，转子表面风摩耗几乎可

忽略的原因了。