真空泵屏蔽電動機溫度場與屏蔽套應力場分析*

安躍軍，殷福久，王光玉，孔祥玲，張　寧

(1.沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870；2.中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司 真空干泵事業部，沈陽 110179)

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真空泵屏蔽電動機溫度場與屏蔽套應力場分析*

安躍軍1，殷福久1，王光玉2，孔祥玲2，張寧2

(1.沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870；2.中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司 真空干泵事業部，沈陽 110179)

針對真空泵屏蔽電動機屏蔽套出現變形、開裂和泄漏導致光伏產業生產線真空度下降的工程問題，采用有限元分析法，對使用三種不銹鋼材質屏蔽套的屏蔽電動機穩態溫度場和熱應力場進行分析.結果表明：屏蔽套采用Hastelloy-C材質時屏蔽套渦流損耗小，屏蔽電機各部件溫度均低于采用Sus316L材質時的溫度；屏蔽套采用Sus430導磁材質時屏蔽電動機損耗最小，在降低溫升方面效果明顯.采用Hastelloy-C和Sus430材質時，屏蔽套最大形變量比采用Sus316L時分別下降17%和19%，最大熱應力分別降低12%和16%.因Sus430不銹鋼價格低廉，且有很好的防腐性能，所以Sus430不銹鋼比較適合真空泵屏蔽電動機.

真空泵；屏蔽電動機；渦流損耗；溫度場；熱應力場；熱變形；熱應力；不銹鋼屏蔽套

真空泵具有完全密封、抽速大、真空度高及可直排大氣等特點[1]，是營造光伏太陽能產業生產線環境的關鍵設備.由于真空泵屏蔽電動機定轉子間金屬屏蔽套在旋轉磁場的作用下產生渦流損耗，進而發熱引起屏蔽套溫升和熱變形，導致屏蔽套膨脹、起鼓甚至破裂和泄漏，影響太陽能光伏元器件的品質和成品率，因此，探尋改進方法和措施是亟待解決的實際工程難題[2].本文通過對使用三種不銹鋼材質屏蔽套的屏蔽電動機做空載和負載實驗，測量電機各部分損耗，并將其作為載荷添加到有限元軟件Ansys workbench中進行電機溫升、熱形變和熱應力的仿真分析.研究結果為提高真空泵的安全性和可靠性提供了借鑒[3-4].

1　真空泵屏蔽電動機溫度場分析

1.1屏蔽電動機三維模型

采用有限元軟件Ansys workbench中穩態溫度場模塊對樣機工作條件下的溫度場進行求解.樣機為2極2.2 kW真空泵屏蔽電動機，額定電壓380 V，額定工作頻率50 Hz，極限真空度0.5 Pa，機殼內存在水冷系統，冷卻水溫度20℃.屏蔽電動機三維模型如圖1所示.

圖1　真空泵屏蔽電動機三維模型

1.2溫度場模型的數學描述

根據傳熱學理論，屏蔽電動機內溫度場問題可用三維熱傳導方程[5]表示為

(1)

式中：t為溫度；q為熱源密度；c為比熱容；γ為密度；τ為時間；S1為電動機絕熱邊界面；S2為電動機散熱邊界面；te為S2周圍介質的溫度；α為S2面的散熱系數；K為S1和S2面法向導熱系數；Kx、Ky、Kz為電動機各介質x、y、z方向的導熱系數.

當溫度穩定之后，式(1)第一項的右端變為?t/?τ=0，可得到求解三維穩態溫度場的數學模型[6].

1.3溫度場載荷與邊界條件

通過對使用Sus316L、Hastelloy-C和Sus430三種不銹鋼材質屏蔽套的屏蔽電動機做空載和負載實驗測量電機各部分損耗，并將損耗作為熱負荷加載到溫度場模型中.屏蔽電動機實驗平臺如圖2所示.屏蔽套材料屬性及相關損耗數據如表1所示.

圖2　真空泵屏蔽電動機實驗平臺

屏蔽套材料電阻率(Ω·cm)導熱系數(W·m-1·℃-1)比熱容(J·kg-1·℃-1)屏蔽套損耗W定子銅耗W轉子鋁耗W鐵耗WSus316L7.5×10-51545012121814845Hastelloy-C12.5×10-5113859121014244Sus4306.0×10-52646011216911837

三種屏蔽套材料中，Sus316L是工程中常用不銹鋼材料；Hastelloy-C合金鋼在化工領域和高溫環境中被廣泛應用；Sus430是專利“一種屏蔽套”技術中典型的導磁型不銹鋼.溫度場模型的邊界條件如下：

1) 電機轉子處于真空環境中，不考慮熱輻射引起的熱量交換，認為式(1)中S1絕熱邊界面為屏蔽套內表面，S2散熱邊界面為螺旋水道表面.

2) 通過計算螺旋水道散熱系數，將水冷系統散熱能力等效為水道散熱系數.在紊流狀態下流體受迫流動準則方程[7]為

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(2)

式中：Nu為怒賽爾特準則，Nu=α0dwet/λ；Re為雷諾準則，Re=μdwet/ν；Pr為普朗特準則，Pr=ν/a，a=λ/ρcp；α0為散熱系數；dwet為水道當量直徑；λ為流體熱導；μ為流體速度；ν為流體流動粘度；ρ為流體密度；cp為流體比熱容.水道截面為15 mm×6 mm，冷卻水流速為1.5 m/s，計算得到水道散熱系數α=6 802 W·(m2·℃)-1.

3) 繞組端部表面散熱環境設置為停滯空氣.

1.4溫度場計算與結果分析

以Sus316L不銹鋼屏蔽套屏蔽電動機為例，溫度場分析結果如圖3、4所示.

圖3　Sus316L屏蔽套屏蔽電動機溫度分布

圖4　Sus316L屏蔽套溫度分布

由圖3可以看出：屏蔽電動機溫度特征為由內向外逐漸降低.由于屏蔽電動機采用水冷冷卻方式，機殼溫度最低，平均溫度為33℃，仿真初始溫度為30℃.繞組端部處于靜止空氣中，散熱能力差，使得繞組端部溫度最高，達到了103℃.

由于導體本身具有阻抗，將屏蔽套渦流損耗轉化成了熱能[8]，因此屏蔽套熱源為與定子相對應位置感應出的渦流損耗.由圖4可以看出：屏蔽套上處于定子鐵芯邊緣和定子槽口對應的區域散熱能力差，溫度較高，最高溫度約為56.4℃.屏蔽套中間與定子齒接觸部分，熱量除了通過屏蔽套自身向前后端蓋傳遞，還可以以熱傳導的方式經過定子鐵芯向機殼傳遞，因此溫度相對較低.圖5、6為Hastelloy-C屏蔽套和Sus430屏蔽套的溫度分布.

圖5　Hastelloy-C屏蔽套溫度分布

圖6　Sus430屏蔽套溫度分布

為對比Sus316L、Hastelloy-C和Sus430不銹鋼屏蔽套屏蔽電動機溫度分布，將分析結果整理為表2.

表2　各部件最高溫度

采用電阻法測量繞組溫升，測量結果為相繞組的平均溫升，實驗時室溫為30℃.整理實驗結果和仿真結果如表3所示.

表3　繞組溫升測量結果

由表2、3可以看出：實驗結果和仿真結果相差不大，具有重要參考價值；電機轉子處于散熱能力較差的真空環境，轉子鼠籠和轉子鐵芯溫差較小；Hastelloy-C屏蔽套渦流損耗小，屏蔽套最高溫升較Sus316L屏蔽套低3℃，屏蔽電機各部件溫度均低于采用Sus316L屏蔽套時的溫度；采用Sus430導磁屏蔽套時屏蔽電動機損耗最小，溫升最低.可見，Sus430屏蔽套在抑制電機溫升方面效果最好.

2　屏蔽套熱應力仿真研究

由于不銹鋼熱脹冷縮的性質，屏蔽套溫升必然造成膨脹形變以及膨脹帶來的應力.在不受任何約束的情況下，物體形變量與溫升關系為

ΔL=α1L0(t1-t0)

(3)

式中：ΔL為物體膨脹量；α1為熱膨脹系數；L0為物體原長；t1為升高后的溫度；t0為初始溫度.

從式(3)中可以看出，在沒有約束的情況下，屏蔽套必定會受熱發生膨脹，但是真空泵屏蔽電動機采用密封結構，屏蔽套與定子鐵芯緊密接觸且兩端與端蓋焊接，屏蔽套熱膨脹形變受到抑制，由此產生的熱應力可能造成屏蔽套的起鼓開裂，甚至泄漏.所以對于真空泵屏蔽電動機屏蔽套的形變以及產生的應力進行準確計算變得十分重要[9].

2.1屏蔽套熱應力數學描述

根據現行熱應力理論，可將彈性力學中的胡克定律推廣到熱應力問題上，得到屏蔽套熱應力問題的有限元關系式[10]為

(4)

式中：εx、εy、εz為x、y、z方向上的應變；σx、σy、σz為x、y、z方向上的正應力；E為物體的彈性模量；μ0為泊松比；β為線性膨脹系數.

2.2屏蔽套熱形變與熱應力分析

為準確描述屏蔽套的形變以及產生的熱應力，將已達穩態溫度場的計算結果導入到應力場中，用有限元軟件進行仿真計算并進行可視化展示.

應力計算需要設置材料的密度、熱膨脹系數、彈性模量及泊松比等物理參數，Sus316L、Sus430不銹鋼及Hastelloy-C合金鋼的相關物理屬性如表4所示.

表4　應力場材料屬性

圖7、8為Sus316L屏蔽套的熱形變和熱應力仿真圖.

圖7　Sus316L屏蔽套的熱形變

由圖7可以看出，受到端蓋和定子鐵芯的約束，屏蔽套兩端和中部部位形變量較小.由于冷卻水從電機前端蓋進入螺旋水道，所以前端蓋較厚，對屏蔽套的約束大，造成屏蔽套前端蓋方向形變偏小.繞組端部對應位置下的屏蔽套由于沒有徑向支撐形變量最高，達到0.036 mm.

由圖8可看出，受定子鐵芯的約束，屏蔽套中間區域膨脹受到抑制，使得屏蔽套與定子鐵芯邊緣接觸區域的應力達到205 MPa，在后端蓋焊接區域，屏蔽套膨脹造成的應力最大，達到241 MPa.

圖8　Sus316L屏蔽套的熱應力

圖9～12為Hastelloy-C合金鋼和Sus430不銹鋼屏蔽套的熱形變和熱應力仿真圖.

圖9　Hastelloy-C屏蔽套的熱形變

圖10　Hastelloy-C屏蔽套的熱應力

圖11　Sus430屏蔽套的熱形變

圖12　Sus430屏蔽套的熱應力

Hastelloy-C合金鋼屏蔽套最大應力同樣發生在與后端蓋焊接區域，最大應力為212 MPa，屏蔽套與定子鐵芯邊緣接觸區域應力達到202 MPa；Sus430屏蔽套與后端蓋焊接區域最大應力為203 MPa，與定子鐵芯邊緣接觸區域應力達到189 MPa.

三種材料屏蔽套的最大熱應力與熱形變量對比結果如表5所示.

表5　屏蔽套熱形變和熱應力對比

Hastelloy-C合金鋼和Sus430不銹鋼屏蔽套最大形變量比Sus316L不銹鋼屏蔽套分別下降17%和19%，最大熱應力分別降低12%和16%.采用Hastelloy-C合金鋼屏蔽套和Sus430不銹鋼屏蔽套均有益于提高真空泵運行穩定性和可靠性.通過表4、5可知，三種材料屏蔽套穩態時最大熱應力均未超過材料屈服強度，其中Hastelloy-C合金鋼屏蔽套因材料力學性能較好，安全余量大，但是Hastelloy-C合金鋼價格較貴，會降低其競爭力.Sus430不銹鋼屏蔽套最大熱形變量與熱應力最小，且電機損耗小，效率高，有利于節約能源，因此，Sus430不銹鋼屏蔽套更適合真空泵屏蔽電動機.

3　結　論

本文通過實驗測得Sus316L、Hastelloy-C和Sus430三種材料屏蔽套屏蔽電動機的各部件損耗，利用有限元軟件Ansys workbench分析了屏蔽電動機溫度場與應力場，得出了真空泵屏蔽電動機溫度、熱形變、熱應力分布特性.屏蔽電動機采用機殼水冷冷卻方式，溫度特征為沿徑向由內向外逐漸降低，繞組溫度最高，機殼溫度最低.屏蔽套上處于定子鐵芯邊緣處和定子槽口對應區域散熱能力差，溫度較高.Hastelloy-C屏蔽套損耗小，屏蔽套最高溫升較Sus316L屏蔽套低3℃，其他部件溫度均低于Sus316L屏蔽套屏蔽電動機.采用Sus430導磁型屏蔽套的屏蔽電動機損耗最小，各部件溫度均為最低，可見，Sus430屏蔽套在抑制電機溫升方面效果最好.

采用Hastelloy-C合金鋼屏蔽套和Sus430不銹鋼屏蔽套均有益于提高真空泵運行穩定性和可靠性，但是Hastelloy-C合金鋼材料價格較貴，電機制造成本高.Sus430不銹鋼屏蔽套屏蔽電動機損耗小，效率高，在節約能源方面效果顯著；此外，Sus430不銹鋼價格低廉，且有很好的防腐性能，因此，Sus430不銹鋼屏蔽套比較適合真空泵屏蔽電動機的產業化生產.

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(責任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Analysis for temperature field and can stress field of vacuum pump canned motor

AN Yue-jun1,YIN Fu-jiu1,WANG Guang-yu2,KONG Xiang-ling2,ZHANG Ning2

(1.School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 2.Vacuum Dry Pump Business Division,SKY Technology Development Co.Ltd.,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110179,China)

To solve the engineering problems such as the vacuum degree decline in photovoltaic industry production line caused by the deformation,cracking and leakage in the can of vacuum pump canned motor,the steady temperature field and thermal stress field of vacuum pump canned motor with three stainless steel cans were analyzed with the finite element analysis method.The results show that the Hastelloy-C can exhibits small eddy current loss,and the temperature of various components of canned motor is lower than that of canned motor with Sus316L can.The canned motor with the can made by Sus430 permeability material has the minimum loss,and shows obvious effect in the aspect of reducing temperature rise.Compared with the Sus316L can,the maximum thermal deformation of both Hastelloy-C can and Sus430 can decrease by 17% and 19%,respectively.Meanwhile,the maximum thermal stress decreases by 12% and 16%,respectively.Due to the low price and good anticorrosion performance,the Sus430 stainless steel is suitable for the vacuum pump canned motor.

vacuum pump; canned motor; eddy current loss; temperature field; thermal stress field; thermal deformation; thermal stress; stainless steel can

2015-11-25.

國家重大科學儀器設備開發專項基金資助(2013YQ240421).

安躍軍(1962-)，男，吉林長春人，教授，博士，主要從事特種電機及其控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.01

TM 301

A

1000-1646(2016)02-0121-06

*本文已于2016-03-02 16∶48在中國知網優先數字出版.網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.050.html

電氣工程