安躍軍,張強(qiáng),李文瑞,師勇

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,110870,沈陽; 2.大連海密梯克泵業(yè)有限公司屏蔽電機(jī)事業(yè)部,116620,遼寧大連)

新型移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套渦流與溫升分析

安躍軍1,張強(qiáng)1,李文瑞1,師勇2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,110870,沈陽; 2.大連海密梯克泵業(yè)有限公司屏蔽電機(jī)事業(yè)部,116620,遼寧大連)

針對(duì)屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套渦流損耗造成溫升過高,影響安全性的問題,基于消除屏蔽套感應(yīng)電勢(shì)的思想,提出了新型移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。通過兩個(gè)同軸相連的單元異步電動(dòng)機(jī)定子繞組在周向空間上相差一個(gè)極距安置,使兩個(gè)單元電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在共用的定子屏蔽套上產(chǎn)生大小相等而方向相反的感應(yīng)電勢(shì),相互抵消,從而抑制渦流損耗,降低屏蔽套溫升,以提高屏蔽電動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性。渦流場(chǎng)分析表明:新型結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)中屏蔽套上的渦電流密度明顯下降,體現(xiàn)了雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套上感應(yīng)電勢(shì)的抵消作用;就算例而言,定子屏蔽套渦流損耗降低了近32%,由于渦流損耗的降低,定子屏蔽套的溫升得到抑制,算例屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套溫升下降了13 ℃,其熱應(yīng)力及熱膨脹也會(huì)隨著溫度的降低而減小。移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)具有工程開發(fā)價(jià)值,可為改進(jìn)當(dāng)前屏蔽電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的可靠性和安全性提供技術(shù)方案。

屏蔽電動(dòng)機(jī);雙段移相式結(jié)構(gòu);渦流損耗;溫升

在現(xiàn)代介質(zhì)傳輸裝置中,屏蔽電動(dòng)機(jī)與泵一體化的屏蔽泵具有完全無泄漏、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕和高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。屏蔽泵的動(dòng)力核心是屏蔽電動(dòng)機(jī)[2-4],該電動(dòng)機(jī)是在普通三相異步電動(dòng)機(jī)之上派生而來的。屏蔽電動(dòng)機(jī)與泵構(gòu)成一個(gè)封閉的整體,無需軸封結(jié)構(gòu),定子內(nèi)側(cè)和轉(zhuǎn)子外側(cè)各裝有一個(gè)金屬屏蔽套,這樣輸送的介質(zhì)可以進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部而不與定、轉(zhuǎn)子接觸[3],確保定、轉(zhuǎn)子鐵心和繞組不受所傳輸介質(zhì)的腐蝕,實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,處在定、轉(zhuǎn)子之間的金屬材質(zhì)屏蔽套會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),渦流損耗過大、屏蔽套溫升過高,進(jìn)而導(dǎo)致屏蔽套起皺、鼓包和破裂而釀成事故,所以抑制屏蔽套渦流、降低電機(jī)損耗有利于提高電機(jī)的安全性,具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

1 屏蔽套渦流損耗估算與抑制措施

屏蔽套是分布式導(dǎo)體,渦流在屏蔽套中流通路徑不固定,為了估算出屏蔽套渦流損耗,文獻(xiàn)[5]在進(jìn)行一系列假設(shè)的情況下,基于導(dǎo)體電阻損耗推導(dǎo)出屏蔽套渦流損耗,表達(dá)式如下

(1)

(2)

式中:Δ為定子屏蔽套的厚度;Dx為屏蔽套直徑;L為屏蔽套長(zhǎng);f為氣隙磁場(chǎng)的頻率;Bm為氣隙磁密最大值;ρ為屏蔽套材料電阻率。

由式(2)可以看出,屏蔽套渦流損耗與屏蔽套的直徑、厚度、長(zhǎng)度,氣隙磁密和材料電阻率等直接相關(guān)。傳統(tǒng)抑制屏蔽套損耗的途徑如下[6]。

(1)減少定子鐵心內(nèi)徑。屏蔽套損耗p與其直徑Dx的立方成正比,通常的屏蔽電動(dòng)機(jī)將其設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)形。

(2)降低氣隙磁密。由于定子屏蔽套渦流損耗與氣隙磁密Bm的平方成正比,通常屏蔽電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)氣隙磁密較低,一般為0.45～0.6 T。

(3)選用強(qiáng)度高、耐腐蝕、電阻率高、導(dǎo)熱性能好、焊接性能優(yōu)的非磁性材料屏蔽套。

由式(1)可知,產(chǎn)生渦流損耗的根本原因是屏蔽套中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì),而傳統(tǒng)抑制途徑只是被動(dòng)地降低屏蔽套渦流損耗。本文提出一種目的在于主動(dòng)根除渦流的新思想,就是消除屏蔽套中的感應(yīng)電勢(shì),構(gòu)造一種新型雙段移相式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),以便更有效地抑制渦流損耗。

2 新型移相屏蔽電動(dòng)機(jī)

本文提出的雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,與傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)尺寸的對(duì)比如表1所示。

表1 雙段移相屏蔽電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)尺寸對(duì)比

樣機(jī)額定功率/kW極數(shù)定子外徑/mm定子內(nèi)徑/mm鐵心長(zhǎng)度/mm定子屏蔽套長(zhǎng)度/mm雙段移相屏蔽電動(dòng)機(jī)1 541207580+80300傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)1 5412075160300

1為單元電動(dòng)機(jī)a的定子鐵心;2為單元電動(dòng)機(jī)b的定子鐵心;3為單元電動(dòng)機(jī)a的轉(zhuǎn)子鐵心;4為軸;5為定子屏蔽套;6為端蓋;7為軸承;8為單元電動(dòng)機(jī)b的轉(zhuǎn)子鐵心;9為機(jī)殼;10為轉(zhuǎn)子屏蔽套

新型雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)主要有以下特點(diǎn)。

(1)雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)由兩個(gè)軸向排列、同軸裝配的單元電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。

(2)兩個(gè)單元電動(dòng)機(jī)共用一個(gè)定子屏蔽套和一個(gè)轉(zhuǎn)子屏蔽套。

(3)兩個(gè)單元電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)上相同。

(4)兩個(gè)定子繞組在周向空間上相差一個(gè)極距,兩個(gè)定子繞組接入同一交流電源,在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)形成兩個(gè)強(qiáng)度相同、轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),兩磁場(chǎng)在屏蔽套上產(chǎn)生大小相等而方向相反的感應(yīng)電勢(shì),可相互抵消。

(5)兩個(gè)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相同,合成轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)屏蔽泵葉輪實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換[2,4]。

3 屏蔽套渦流特性分析

屏蔽套受旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的切割會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)而在屏蔽套內(nèi)產(chǎn)生渦流,屏蔽套導(dǎo)電具有分布特性,使得渦流路徑不會(huì)像導(dǎo)線那樣被約束在規(guī)劃好的區(qū)域內(nèi)。所以,屏蔽套渦流大小和路徑難以用傳統(tǒng)“路”的方法計(jì)算和確定。為此,本文利用有限元方法對(duì)屏蔽套渦流特性加以計(jì)算和分析,也為溫度場(chǎng)計(jì)算做準(zhǔn)備。

根據(jù)表1的電動(dòng)機(jī)參數(shù),在有限元軟件中建立屏蔽電動(dòng)機(jī)模型。為便于渦流損耗的對(duì)比,建模時(shí)忽略諧波的影響,同時(shí)雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子采用相同的槽形尺寸,屏蔽套也采用相同材質(zhì)和長(zhǎng)度的不銹鋼,運(yùn)用零切向磁場(chǎng)強(qiáng)度邊界條件進(jìn)行有限元分析[7]。

利用有限元軟件建立的雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)三維模型[8]如圖2所示。

(a)雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)

(b)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)1、6為定子屏蔽套;2、3為單元電動(dòng)機(jī)I定子繞組和鐵心;4、5為單元電動(dòng)機(jī)II定子鐵心和繞組;7、8為傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)定子繞組和鐵心

由于定子屏蔽套中產(chǎn)生的是分布式感應(yīng)電勢(shì),無法得出直觀的仿真結(jié)果,而渦流是感應(yīng)電勢(shì)作用在屏蔽套上形成的,因此可通過電流密度矢量分布間接反映感應(yīng)電勢(shì)變化。圖3是交變磁場(chǎng)在兩種結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套上產(chǎn)生的電流密度的矢量圖。從圖中可以看出,傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套上的電密在屏蔽套中間位置最大,電流密度只在兩側(cè)端部附近略有下降,且降幅不明顯,元件邊所對(duì)應(yīng)的中間區(qū)域電流密度最高達(dá)到9.7A/mm2。在雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)兩套定子繞組之間的一段公共區(qū)域內(nèi)(黑線之間),由于兩個(gè)極性相反的交變磁場(chǎng)的作用,在導(dǎo)電材質(zhì)的屏蔽套上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)方向相反,感應(yīng)電流方向也相反。由圖3可見,公共區(qū)域內(nèi)的一部分電流互相抵消,使電流密度最高值為7.2 A/mm2。雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套相對(duì)傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)電流密度的最大值下降了25.8%。

(a)雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)

(b)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)

屏蔽套渦流損耗與電流密度的關(guān)系為[9]

(3)

式中:J為電流密度;σ為電導(dǎo)率;p為渦流損耗;Ω為對(duì)應(yīng)介質(zhì)體積。

由式(3)可知,若屏蔽套電導(dǎo)率不變的話,隨J減小,渦流損耗以方次比例降低。

兩種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套損耗如圖4所示。從圖中可以看出,傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)渦流損耗平均值約為282 W,而雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套渦流損耗平均值約為193 W,減少了31.6%。

圖4 定子屏蔽套渦流損耗的對(duì)比

4 屏蔽套穩(wěn)態(tài)溫升分析

屏蔽電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗,這些損耗都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使電動(dòng)機(jī)各部分的溫度升高。屏蔽套產(chǎn)生渦流損耗同樣會(huì)導(dǎo)致屏蔽套的溫度升高,該溫升會(huì)使屏蔽套產(chǎn)生熱變形,起皺甚至破損,安全系數(shù)降低。因此,正確計(jì)算屏蔽電動(dòng)機(jī)溫升情況,不僅可以優(yōu)化電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì),還可以為電動(dòng)機(jī)更高效、更安全地運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.1 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)理論[10],屏蔽電動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)問題可以用三維熱傳導(dǎo)方程描述

(4)

式中:T為溫度;q為熱源密度;c為比熱容;γ為密度;τ為時(shí)間;S1為電動(dòng)機(jī)絕熱邊界面;S2為電動(dòng)機(jī)散熱邊界面;Te為S2周圍介質(zhì)的溫度(℃,時(shí)間的函數(shù));α為S2面的散熱系數(shù);K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù);Kx、Ky、Kz分別為電動(dòng)機(jī)各介質(zhì)x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)。

4.2 溫度場(chǎng)仿真

為方便計(jì)算,給出求解區(qū)域的基本假設(shè)和邊界條件如下。

基本假設(shè):只考慮溫度的平均效應(yīng)(即不考慮溫度不均勻分布引起電動(dòng)機(jī)電磁性能及熱源變化);槽絕緣與槽內(nèi)空氣夾層的熱性能參數(shù)取二者等效值。

邊界條件:由于轉(zhuǎn)子屏蔽套損耗和溫升相對(duì)于定子屏蔽套很小,在溫度場(chǎng)分析中可以忽略,認(rèn)為定子屏蔽套與氣隙之間由空氣流動(dòng)散熱;機(jī)殼外表面為散熱面。

將電磁場(chǎng)有限元分析所得各項(xiàng)損耗賦值,添加各散熱面散熱系數(shù),建立電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)仿真模型,得到溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 雙段移相式結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套溫度分布

圖6 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套溫度分布

從圖5、圖6可以看出,相對(duì)于傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī),雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)由于定子屏蔽套損耗減少,使溫升得到抑制。定子屏蔽套的熱源為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在其上感應(yīng)電勢(shì)所產(chǎn)生的渦流損耗,因此熱源區(qū)域主要集中在繞組的元件邊所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。對(duì)于傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī),屏蔽套上渦流損耗分布較為均勻,兩端由于繞組的端部和端蓋之間有間隙而使得一部分熱量得以散發(fā)。相比較而言,雙段移相式結(jié)構(gòu)的屏蔽套熱源熱量低,導(dǎo)致整體溫度低,中間區(qū)域由于兩套勵(lì)磁繞組的共同作用,導(dǎo)致溫度比兩側(cè)高,在定子屏蔽套、鐵心和機(jī)殼同等長(zhǎng)度的情況下,多出的端部使得繞組與機(jī)殼之間的空氣所占體積減少,因此在兩側(cè)很小的一段區(qū)域比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套溫度略高。

通過圖7的數(shù)據(jù)分析可得,傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套平均溫度為100℃,雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套平均溫度為87℃,降低了13 ℃。雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)定子屏蔽套的溫升相比傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī)下降很多,同時(shí)熱應(yīng)力也會(huì)隨之減小,而該結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)屏蔽套的受熱膨脹及熱變形會(huì)得到抑制。在工程實(shí)踐中,采用此結(jié)構(gòu)的屏蔽電動(dòng)機(jī)不僅可以顯著提高屏蔽電動(dòng)機(jī)的效率,而且降低了屏蔽套過熱而產(chǎn)生的起皺和破損的幾率,可以提高屏蔽泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全性。

圖7 額定負(fù)載時(shí)定子屏蔽套溫升分布

5 結(jié) 論

本文提出一種新型雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),通過三維渦流場(chǎng)有限元仿真,得到屏蔽套渦流損耗以及相對(duì)應(yīng)的溫升分布。通過渦流場(chǎng)分析表明,新型結(jié)構(gòu)屏蔽電動(dòng)機(jī)中屏蔽套上的渦流密度明顯下降,體現(xiàn)了雙段移相式屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套上感應(yīng)電勢(shì)的抵消作用。就算例而言,定子屏蔽套渦流損耗降低了近32%,由于渦流損耗的降低,定子屏蔽套的溫升得到抑制,算例屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套溫升下降了13 ℃,其熱應(yīng)力及熱膨脹也會(huì)隨著溫度的降低而減小。

雖然相對(duì)于傳統(tǒng)屏蔽電動(dòng)機(jī),新型屏蔽電動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度會(huì)略有增加,導(dǎo)致成本增加,但是可以控制在可接受的范圍內(nèi)。電機(jī)的損耗降低,溫升下降,提高了電機(jī)的安全性,對(duì)核電用戶而言,屏蔽泵的安全性更為重要,也更具有工程實(shí)用價(jià)值。

由于屏蔽套中感應(yīng)電勢(shì)隨氣隙磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)而變化,屏蔽套是分布式導(dǎo)體,屏蔽套中渦流路徑不能人為規(guī)劃,導(dǎo)致感應(yīng)電勢(shì)未能完全抵消,渦流損耗未能完全抑制。如何更高效地抑制屏蔽套感應(yīng)電勢(shì)有待進(jìn)一步深入研究,例如基于抵消感應(yīng)渦流電勢(shì)的思想,探索新的結(jié)構(gòu),尋求新的方法。

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(編輯 杜秀杰)

EddyLossesandTemperatureRiseonShieldedCaninCannedMotorwithNewPhase-ShiftedStructure

AN Yuejun1,ZHANG Qiang1,LI Wenrui1,SHI Yong2

(1.School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;2.Canned Motor Business Department,Dalian Hermetic Pump CD.LTD.,Dalian,Liaoning 116620,China)

To solve the excessive temperature rise in shielding sleeve of shielded motor due to eddy loss affecting the security,a new two-cell phase-shifted canned motor structure is proposed following the idea of eliminating induced electromotive force on the shielding sleeve.Two coaxial connected stator windings of unit asynchronous motor are fixed and circumferentially changed a pole pitch in space to produce two equal but opposite induction electromotive forces in the shared stator shielded sleeve,which counteract mutually to suppress the eddy losses,lower temperature rise,and improve the reliability and safety of the shielded motor.The analysis for the eddy current field and temperature field demonstrates that the eddy current density is decreased significantly exhibiting the effect of the counteracted induction electromotive forces in the shielded sleeve,the eddy loss in the shielded sleeve reduces by nearly 32%,the temperature rise is effectively suppressed for the eddy loss reduction,the temperature drops by 13 ℃,and the thermal stress and thermal expansion are also relieved.

canned motor; two-cell phase-shifted structure; eddy loss; temperature rise

2013-11-14。

安躍軍(1962—),男,教授。

遼寧省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010220011);沈陽市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(F11-190-7-00)。

時(shí)間:2014-04-25

10.7652/xjtuxb201406009

TM301

:A

:0253-987X(2014)06-0050-05

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