干式渦旋真空泵用特種電機(jī)溫度場仿真與實(shí)驗(yàn)

安躍軍， 張振厚， 張強(qiáng),3， 王光玉， 劉在行

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司真空干泵事業(yè)部，遼寧 沈陽 110168；3.昆明精密機(jī)械研究所電動(dòng)力研究室，云南 昆明 650100)

干式渦旋真空泵用特種電機(jī)溫度場仿真與實(shí)驗(yàn)

安躍軍1， 張振厚2， 張強(qiáng)1,3， 王光玉2， 劉在行2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司真空干泵事業(yè)部，遼寧 沈陽 110168；3.昆明精密機(jī)械研究所電動(dòng)力研究室，云南 昆明 650100)

針對(duì)單相電源供電干式渦旋真空泵用特種電機(jī)溫升過高經(jīng)常燒毀的問題，對(duì)采用電子移相方式運(yùn)行的新研發(fā)電機(jī)的溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析。以抽速為2 L/s的干式渦旋真空泵電機(jī)為例，利用有限元分析法建立其溫度場計(jì)算的仿真模型，設(shè)置熱源激勵(lì)和散熱邊界條件，獲得了新研發(fā)電機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件溫度場分布特征；對(duì)研發(fā)的單相電源供電干式渦旋真空泵用特種電機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，獲得了從冷態(tài)起動(dòng)到溫升穩(wěn)定過程中關(guān)鍵部件溫度隨時(shí)間變化特性曲線。溫度場分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研發(fā)電機(jī)溫度分布合理，電機(jī)內(nèi)最高溫度點(diǎn)的溫升尚有安全裕度，為新產(chǎn)品批量生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

特種電機(jī)；干式渦旋泵；溫度場；溫升實(shí)驗(yàn)；真空泵

0 引 言

干式渦旋真空泵又稱為無油真空泵，旋轉(zhuǎn)密封和氣流通道中不使用任何油類和液體，是一種無油和高效獲得超高清潔真空的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備。其主要應(yīng)用行業(yè)有：科學(xué)儀器、半導(dǎo)體制備、真空冶金、醫(yī)療設(shè)備、生物制品、光伏器件生產(chǎn)線、醫(yī)藥食品包裝行業(yè)等[1-3]。

國家科技部《科技條件十二五規(guī)劃專項(xiàng)》中將“加強(qiáng)真空泵、真空系統(tǒng)等科學(xué)儀器設(shè)備關(guān)鍵部件和配套系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用“確定為我國十二五期間重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)的重要任務(wù)之一。本課題組承擔(dān)了國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“耐腐蝕超潔凈系列渦旋干式真空泵開發(fā)和應(yīng)用”(項(xiàng)目編號(hào)2013YQ240421)，項(xiàng)目的實(shí)施益于提高我國高端科學(xué)儀器如質(zhì)譜類、光譜類、電鏡類儀器的質(zhì)量水平，為營造超高潔凈的真空環(huán)境提供設(shè)備保障[4]。

干泵特種電動(dòng)機(jī)是直接影響干式真空泵性能指標(biāo)和壽命的動(dòng)力核心，是該重大專項(xiàng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。本文工作的要求在于：①將三相供電改為單相電源供電，不增大電機(jī)體積且功率不變；②為了美觀，單相電源供電時(shí)，干泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體上不能背電容器或者電阻器；③為確保真空度，電動(dòng)機(jī)沒有設(shè)置軸驅(qū)風(fēng)扇，導(dǎo)致電機(jī)的全封閉外殼處于自然冷卻。現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)情況是，背裝電容器影響了美觀，關(guān)鍵是電機(jī)內(nèi)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場的存在增加了損耗和發(fā)熱，同時(shí)由于沒有冷卻風(fēng)扇和電機(jī)定、轉(zhuǎn)子運(yùn)行在密閉真空環(huán)境中，導(dǎo)致溫升過高，經(jīng)常燒毀電機(jī)，故障頻發(fā)；該工程實(shí)際問題亟待研究和解決，本文采用電子移相方法(這部分內(nèi)容擬另文發(fā)表)構(gòu)造控制器將單相電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換后施加到電機(jī)繞組來消除負(fù)序磁場的作用，以提高電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的正弦化程度。

為了說明電機(jī)內(nèi)部熱問題的改善效果，本文以抽速為2L/s干式渦旋真空泵用單相電源供電特種電機(jī)為例，建立溫度場有限元仿真模型，結(jié)合工程實(shí)際確定基本假設(shè)、設(shè)置熱源激勵(lì)和散熱邊界條件，分析新研發(fā)電機(jī)內(nèi)部部件溫度場分布特征；同時(shí)，對(duì)新研發(fā)的單相電源供電干式渦旋真空泵用電子移相式特種電機(jī)進(jìn)行了溫升實(shí)驗(yàn)。本文涉及的干式渦旋真空泵用單相特種電機(jī)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，裝備到可替代進(jìn)口的高品質(zhì)真空泵產(chǎn)品。

1 干式真空泵電機(jī)溫度場分析

1.1 電機(jī)內(nèi)溫度場數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)基本理論，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場可以通過三維導(dǎo)熱方程式(1)加以描述[5-7]。

(1)

式中：T為溫度(℃)；q為熱源密度(W/m3)；c為比熱容；γ為密度(kg/m3)；τ為時(shí)間(s)；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-S2面的散熱系數(shù)(W/(mm2·℃))；K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù)(W/(mm2·℃))；Kx、Ky、Kz為電動(dòng)機(jī)各介質(zhì)x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)溫度穩(wěn)定后，?T/?τ=0，可得到三維穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型[5]。

1.2 電機(jī)內(nèi)溫度場數(shù)值計(jì)算

以抽速為2 L/s干式渦旋真空泵用單相電源供電電子移相式特種電機(jī)為例，防護(hù)等級(jí)IP54，冷卻方式為IC410，采用F級(jí)絕緣，工作制為S1，分析溫度場分布特征，該特種電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單相電源供電干式渦旋真空泵用電子移相式特種電機(jī)技術(shù)參數(shù)：額定電壓為220 V，額定功率為180 W，額定頻率為60 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 695 r/min，0～60 Hz為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，60～120 Hz為恒功率運(yùn)行。

為了合理簡化計(jì)算過程，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)：槽絕緣與槽壁之間的熱性能參數(shù)取二者等效值、電子移相控制器的發(fā)熱按照比損耗方法等效。

邊界條件：定子部件和轉(zhuǎn)子部件內(nèi)部零件間是熱傳導(dǎo)邊界，定子部件與轉(zhuǎn)子部件間隙是流體散熱邊界，因無風(fēng)扇冷卻故機(jī)殼表面為空氣自然散熱面邊界；有限元熱計(jì)算的環(huán)境溫度與樣機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度一致，設(shè)為22.5℃，以便對(duì)比。

圖1 單相供電電子移相式特種電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of single phase power electronic phase shifted special motor

熱源設(shè)置：將前期電磁場有限元分析得到的各項(xiàng)損耗分別賦值給各個(gè)發(fā)熱部件，如滿載時(shí)定子繞組銅耗57W、轉(zhuǎn)子繞組銅耗22W、定子鐵心損耗8.4 W和機(jī)械雜散損耗14.7W，忽略比例很小的轉(zhuǎn)子鐵耗。

考慮到真空環(huán)境下轉(zhuǎn)子散熱條件差，熱膨脹比普通電機(jī)大的因素，電機(jī)氣隙較普通電機(jī)要大一些，電機(jī)激磁電流分量增加，故定子繞組銅耗比定子鐵耗高。

為清楚地觀察和了解到電機(jī)各個(gè)部件的溫度分布特征，為后續(xù)電機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考，將通過有限元數(shù)值計(jì)算得到該特種電機(jī)各部件溫度分布圖依次展示，如圖2至圖8所示；并獲取各個(gè)部件的最高溫度值，如表1所列。可見，在電機(jī)內(nèi)部定子繞組溫度最高，為79.2 ℃，是由于定子繞組的銅耗較大和散熱條件較差造成的。

2 干式真空泵電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證新研發(fā)特種電機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性和有限元熱分析的正確性和準(zhǔn)確性，本文對(duì)所研發(fā)的抽速為2L/s干式渦旋真空泵用單相電源供電電子移相式特種電機(jī)，進(jìn)行負(fù)載溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為22.5℃；對(duì)于以往經(jīng)常燒壞的定子繞組溫度采用pt100熱傳感器測量，對(duì)于機(jī)殼外表面溫度利用IMPAC IN15型手持溫度儀測量，實(shí)時(shí)記錄溫度變化，溫度測試結(jié)果如圖9所示。

圖2 干式渦旋真空泵特種電機(jī)整體溫度分布Fig.2 Temperature distribution of the whole special motor for the dry screw vacuum pump

圖3 干式渦旋真空泵特種電機(jī)外殼溫度分布Fig.3 Temperature distribution of the special motor stator’s casing for the dry screw vacuum pump

圖4 干式渦旋真空泵特種電機(jī)后端蓋溫度分布Fig.4 Temperature distribution of the special motor’ endhousing for the dry screw vacuum pump

圖5 干式渦旋真空泵特種電機(jī)定子鐵心溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the special motor’ stator core for the dry screw vacuum pump

圖6 干式渦旋真空泵特種電機(jī)定子繞組溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the special motor’ windings for the dry screw vacuum pump mp

圖7 干式渦旋真空泵特種電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the special motor’s rotor for the dry screw vacuum pump

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元溫度場計(jì)算結(jié)果對(duì)比可見，定子繞組溫度測試值為81.5℃，有限元計(jì)算值為79.2℃；機(jī)殼溫度實(shí)驗(yàn)測試值為53.6℃，有限元計(jì)算值為59.4℃。以實(shí)驗(yàn)值為基準(zhǔn)的相對(duì)差分別為2.8%和10.8%。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的差別除了有限元計(jì)算時(shí)一些假設(shè)和等效處理外，由于干式渦旋真空泵運(yùn)行時(shí)渦旋葉輪會(huì)使空氣產(chǎn)生流動(dòng)，有輔助機(jī)殼散熱的效果，而有限元計(jì)算時(shí)假設(shè)機(jī)殼是空氣自然散熱，故機(jī)殼部位溫度實(shí)驗(yàn)值比計(jì)算值低。

圖8 干式渦旋真空泵特種電機(jī)軸與軸承溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the special motor’shaft and bearing for the dry screw vacuum pump

主要部件最高溫度/℃機(jī)殼59.4后端蓋57.6定子鐵心71.6定子繞組79.2轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠66.6轉(zhuǎn)軸、軸承65.6

圖9 干式渦旋真空泵特種電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)曲線Fig.9 Experiment temperature rise curve of the special motor for the dry screw vacuum pump

通過有限元計(jì)算和溫升實(shí)驗(yàn)，得到電動(dòng)機(jī)最熱部件繞組的溫升分別為56.7K 和59K，與F級(jí)絕緣等級(jí)繞組溫升限值115K相比，還有較大裕度[8]。

3 結(jié) 論

通過對(duì)抽速為2 L/s的干式渦旋真空泵用單相供電特種電機(jī)溫度場有限元計(jì)算和樣機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)滿載工況下，電機(jī)內(nèi)最高溫度點(diǎn)發(fā)生在定子繞組端部，是由于定子繞組的銅耗相對(duì)較大和散熱條件較差造成的，但是與所采用的絕緣等級(jí)溫度限值相比，仍有安全裕度；

2)電機(jī)整體、電機(jī)殼體和后端蓋溫度由下至上逐漸升高，符合自然散熱的情況；靠近泵端部位溫度低于后端溫度，這是由于渦旋葉輪對(duì)電機(jī)有一定冷卻作用；

3)研究表明，新研發(fā)的干式渦旋真空泵用單相供電特種電機(jī)的設(shè)計(jì)方案和控制方法是合理的，為新產(chǎn)品批量生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

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Temperaturefieldsimulationandexperimentofspecialmotorfordryscrollvacuumpump

AN Yue-jun1， ZHANG Zhen-hou2， ZHANG Qiang1，3， WANG Guang-yu2， LIU Zai-hang2

(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 110168,China;3.Department of Electric Power of Kunming Institute of precision machinery,Kunming 650100,China)

To solve the issue that the special electric motors single phase power supplied for the dry scroll vacuum pump burn up by the high temperature rise,this paper analyzes the temperature field of the motor with electron phase shifted operation mode through simulation calculation and experiment.It took the 2 L/s pumping speed dry scroll vacuum pump motor for instance.It established simulation model of the temperature field calculation using the finite element method,set up the heat excitation and thermal boundary conditions,and achieved temperature field distribution characteristics of various components inside the new motor.It carried out temperature rise experiment of dry scroll vacuum pump with single-phase power supply special motor,and obtained the key components′ time-variation characteristic curve from cold start to stable temperature rise.The result of the analysis and experiment shows that the temperature distribution of the new developed motor is reasonable; the highest temperature point in the motor is still in the safety margin,which can provide the scientific basis for new production.

special motors；dry scroll pump；temperature field；temperature rise experiment；vacuum pump

(編輯：劉素菊)

2016-09-18

國家科技重大專項(xiàng)(2017ZX02201005-002)；遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目(L2015272)

安躍軍(1962—)，男，博士、教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制； 張振厚(1962—)，男，學(xué)士、研究員，研究方向?yàn)檎婵占夹g(shù)； 張 強(qiáng)(1989—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)轸~雷電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)； 王光玉(1973—)，男，學(xué)士，研究員，研究方向?yàn)檎婵占夹g(shù)； 劉在行(1982—)，男，學(xué)士，研究員，研究方向?yàn)檎婵占夹g(shù)。

張 強(qiáng)

10.15938/j.emc.2017.08.007

TM 301.4

:A

:1007-449X(2017)08-0048-05