CONVERGE用于开关磁阻电机冷却分析

自从新冠大流行开始以来，人们对家居装修的兴趣大增，对各种家装工具的需求也大幅增涨。电锯、电钻、打磨机、刨槽机——这些工具的核心是电机。理想情况下，家装工具配备的电机应该是动力强劲、易于控制、重量轻、价格实惠、性能稳定且维护成本低的产品。在实际应用中，目前还没有哪一种电机能够满足所有这些要求。

有刷直流电机是电动工具中常用的电机，因为它们价格便宜，速度和扭矩可以很容易地调整。然而，由于电刷容易磨损，它们需要经常维护。无刷电机是另一种选择，它们具有高的效率和功率密度。但无刷电机的一个缺点是它们依赖于稀土永磁体，价格非常昂贵，且不适合高速旋转，在高温下容易损坏。这些限制激发了人们寻找替代设计方案，开关磁阻电机(SRM: Switched Reluctance Motor)应运而生。

虽然开关磁阻电机可以追溯到19世纪中期，但它们从未得到广泛的应用。造成这种情况的一个主要原因是缺乏精确的控制器。现在，随着电子控制器产品性能的提升，开关磁阻电机被重新审视。开关磁阻电机的独特之处在于绕组布置在定子上而不是转子上。这使得简化、稳健的设计和低成本制造成为可能。此外，它不需要永磁体，这有助于进一步降低成本。工作过程中，定子绕组中的电流不断地从一极切换到另一极，产生旋转磁场。转子磁极为了与旋转的磁场对准，并遵循磁阻最小的路径来驱动电机旋转。开关磁阻电机存在的一个潜在问题是扭矩密度较低。不过这个可以通过增加电流来克服。但电流的增大会导致放热增加。由于温度升高会降低绕组绝缘性能并使得绕组劣化，随着时间的推移，会降低性能和效率。隐藏，准确的模拟开关磁阻电机的温度对于指导改进设计至关重要。

这款电机由芝浦理工学院设计，采用Jmag软件计算电磁(铜和铁)损耗，并将其作为热源用于CONVERGE软件，预测固体部件温升，并模拟转子旋转的自冷效应。

CONVERGE软件非常适合进行电机冷却模拟。CONVERGE支持与JMAG直接耦合，使我们能够无缝地导入JMAG输出的NASTRAN格式文件，其中包括JMAG计算出来的电磁损耗。电机内部的三维流固共轭传热则由CONVERGE高效的瞬态超循环(super-cycle)功能来完成，整个升温过程的计算时间只需要纯瞬态计算的数十分之一。另外通过自动 格划分和自适应 格加密功能，CONVERGE提供了优良的 格控制能力。CONVERGE的这些特使得我们可以轻松捕捉高速运动的转子和它带动的气流形态。

图1 电机几何和 格模型

在CONVERGE模型中将绕组中的铜耗和定子、转子中的铁耗(JMAG计算得到)以体积热源的形式加载。另外，在转子没有旋转的情况下，对绕组施加12A电流进行模拟，以标定绕组和定子之间的接触热阻(图2)。

图2采用Jmag的电磁损失数据

作为CONVERGE共轭传热模型的输入

然后，将仿真所得的自冷效应与实验结果进行比较。在高负荷(High Load)工况下，自冷效应最弱；而在低负荷(Low Load)工况下，自冷效应更为明显。在所有工况下，CONVERGE?的仿真结果与实验测量结果的差异均在5°C以内(图3)。

图3自冷效应的模拟与实验对比

图4展示了电机内部的空气流动形态，空气从径向进入，流经定子槽，冷却定子和绕组。

图4电机内部流场形态

目前全球电机市场正在迅速扩大。为满足这一需求，需要制造商持续不断的创新——这既是巨大的挑战，也是巨大的机遇。通过CONVERGE和JMAG的综合仿真能力，您将拥有强大而高效的仿真工具，以推动向更广泛的电气化的未来时代前进。

参考文献

1.   Koinuma, K., Aiso, K., and Akatsu, K., “A Novel Self Cooling SRM for Electric Hand Tools,” 2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Portland, OR, United States, Sep 23–27, 2018. DOI: 10.1109/ECCE.2018.8557901