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 Slots6槽12槽24槽b01(mm) 4 3 2b11(mm) 14 6.8 3.4h01(mm) 1 1 1h11(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)2160899449i2S 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。

由于轴向通风的存在是为了冷却电机的定转子，而它同样会增加风摩耗，图2.9展示了电机转速在60000r/min 时轴向通风风速对风摩耗的影响，从图上可以看出，轴向风速基本与风摩耗呈线性关系。

虽然轴向通风增加了风摩耗，但它是必须存在的，因为它可以冷却电机定转子，冷却空气的冷却能力取决于流向通风道的通风量。

看上去电机内的冷却流的冷却能力和风摩耗时相互矛盾的，但是可以通过增大通风道截面积从而减小轴向风速的方法来解决这一矛盾，这样既保证了电机的冷却也减小了电机的风摩耗。

计算结果 拟合结果时间/s损耗/W0.0030 0.0020.0010 25 5075 100150前面已经介绍了24槽电机在60000r/min 运行时的风摩耗是792W 。

图2.10为同样功率同样转子结构，不同定子结构的六槽高速电机的流体场仿真结果，它与24槽电机最大的不同就在于它不存在内通风道，只有气隙和外风道参与冷却电机。

通过计算分析，6槽电机的风摩耗为878W 。

比24槽电机的风摩耗大，这一结果显示内风道不但能减少风摩耗，而且可以增强冷却效果。

所以在高速电机的设计中内风道的存在是必要的，具体原因已在2.4节作了说明。

第三章 高速电机温度场分析与通风计算3.1 有关传热的基本概念电机是一种结构非常复杂的不均匀发热体，其内部热量流动和传递的过程很复杂，这些都影响着电机的发热计算。

但是电机产生各种损耗都以热量的形式从热源内部传导到热源的表面，再通过对流和辐射散发到周围空间去。

因此需要讨论传热的三种方式：传导、对流和辐射。

在进行温度分析时，需要给出每一实体的材料属性包括热传导率、比热容、对流散热系数、辐射系数、生热率等[45]。

3.1.1 热传导当电机的内部存在温度差时，热量将从较高温度的部分传导较低温度的部分。

这种热量传递的方式叫做热传导。

如上图所示，图中左右两个表面分别代表高温侧和低温侧，且分别维持均匀的温度，分别为T hot 和T cold ，且存在一定的温差（T hot >T cold ），热量从左侧传导到右侧。

且满足下列关系：其中Q 为t 时间内的总热量，k 为热导率，A 为平面面积，d 为两平面间距离。

这就是导热的基本定律，傅立叶定律。

3.1.2 热对流对流仅在流体之间发生，它是指温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。

高温物体表面常常发生对流现象，这是因为高温物体表面的空气因为受热而膨胀，密度减小而向上流动，与此同时，密度较大的冷空气下降代替原来受热空气的位置，产生对流。

对于空气来说，如果空气的流态为层流()dT T kA t Q cold hot -=时，热量的传递主要依靠热传导作用，由于空气的热导率较小，所以层流时散热效果不是很好。

当流体层产生湍流时，这时热量的传递主要依靠对流作用，由于对流散热的热阻较小，因此此时散热能力明显提高。

当计算由对流作用带走热量时，采用牛顿散热定律：这里q 表示热流密度，即单位时间通过单位等温面的热量。

α 表示对流散热系数，即当表面与周围介质的温差为1℃时，单位时间内通过单位面积表面的热量。

1θ 和 2θ分别表示壁面温度和流体温度。

3.1.3 热辐射热辐射是通过电磁波的方式将能量传递给其他物体的过程。

辐射不需要直接接触，也不需要任何中间介质，即可在真空中传播。

同一物体，温度不同时的热辐射能力不一样，温度相同的不同物体热辐射能力也不相同。

在同一温度下黑体的辐射能力最强。

黑体在单位时间内发出的热量由Stefan-Boltzmann 定律表示：这里T 表示黑体的热力学温度，S 表示产生辐射的表面积，σ表示黑体辐射常数。