（末梢驱动式）开关磁阻马达-翼型风扇系统的耦合设计关键技术研究

This project is aimed to present a new concept design configuration for a high efficiency motor-fan system as well as study the coupled design techniques for the system. The system contains a switched reluctance motor, a velocity adjustable driver with simple and flexible structure, and airfoil blades, which induces a smooth airflow across the blade surface for improving efficiency and reducing turbulence and noise. Unlike traditional motor-fan system that the motor is concentrated at the center of the axis, the presented tip driven integral system uses a motor built into the ends of the impeller blades. The new system makes more space for airflow to pass through so that the efficiency is highly improved. The project is aimed to 1) study the influence of the design parameters as well as different motor design configurations on system performance; 2) build the relationship between design parameters and system performance. The presented motor-fan system involves the multiphysics fields of electromagnetic field, fluid field and (structure) displacement field. The multiphysics field will be simulated for analyzing the system performance accurately for efficiency optimization. The results of the coupled design and analysis will contribute to the research field in high efficiency motor fan systems.

本项目拟提出一种新节能型通风系统的概念设计方案并开展对此系统的耦合设计技术研究。系统的马达采用调速性能优良，结构简单灵活的开关磁阻马达；系统的风扇叶片设计采用符合空气动力学的翼形截面设计。不同于传统结构中将马达集中置于转动中心，此系统将马达分散布置于叶片的末端，使马达与风扇连为一体，此结构可以减少气体通过的阻碍，极大地提高系统的效率。本项目拟研究此全新型结构的风扇马达系统的耦合设计参数及马达的不同设计方案对系统整体性能的影响并分别建立耦合参数，马达转子与定子的个数比与系统性能之间的数学关系模型。由于此结构中风扇与马达连为一体，使得电磁场，流场及结构位移场相互交迭，互相影响。本项目拟研究上述多物理场紧耦合数值模拟方案来精确分析系统的性能，以便对系统进行效率优化设计。该耦合设计与分析技术的突破将推动高效节能通风系统研究领域的快速发展。

本项目对新节能型风扇马达系统进行设计及性能分析，内容包括马达设计分析，风扇设计分析以及系统效率分析。马达设计方面，不同于传统结构中将马达集中置于转动中心，此系统将马达分散布置于叶片的末端，使马达与风扇连为一体，这样减少气体通过的阻碍，极大提高系统效率。根据设计目标，先利用转矩的输出公式对分散式开关磁阻马达进行初步设计；然后通过磁回路的分析估算马达的转矩和效率等性能；最后通过有限元模拟精确分析性能以改善设计。设计分析结果表明：1）理论分析得到的性能指标及变化趋势，和有限元模拟分析得到的结果大体一致；2）分散式开关磁阻马达能达到较高的转矩和效率要求。风扇设计方面，根据设计目标先利用CODIER算法估算分散半径和转矩，再通过有限元模拟分析风扇性能并改善设计。风扇设计分析表明，压升和效率的设计要求主要通过调整翼型叶片进气角和出气角来实现。系统效率与重要参数之间的关系的研究方面，主要研究了系统效率与转速之间的关系。研究表明，系统效率随转速的增加而显著降低；马达的铜损是影响马达效率的关键因素；系统效率随马达定子绕阻的绕阻率的增加而显著降低。相关研究成果已发表在国际国内权威杂志上，共发表论文6篇；其中SCI论文2篇，EI论文4篇。