真空泵用定子永磁型與轉(zhuǎn)子永磁型電機熱性能對比*

宿澤達, 安躍軍, 安 輝, 唐志英, 孔祥玲, 畢德龍

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)

0 引 言

真空技術(shù)與人們的生活息息相關(guān)，從食品包裝到航空航天均離不開真空技術(shù)[1]。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的持續(xù)發(fā)酵，芯片產(chǎn)業(yè)的重要程度愈發(fā)凸顯。對于生產(chǎn)芯片所需的真空泵、真空泵驅(qū)動電機等真空獲得設(shè)備的性能要求也越來越高。

在工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證真空泵的真空度，常將驅(qū)動電機機殼與真空泵腔體直接相連，當(dāng)真空泵工作到穩(wěn)定狀態(tài)時，腔體內(nèi)部為真空狀態(tài)，電機機殼內(nèi)部也為極限真空狀態(tài)。在此狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子的熱量無法通過熱對流進行散熱，只能通過熱輻射和熱傳導(dǎo)來傳遞熱量，散熱效率較低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子難以散熱。大部分熱量傳遞至轉(zhuǎn)軸上的軸承內(nèi)套，使內(nèi)套溫度高，但外套溫度低，導(dǎo)致軸承塑性形變。不但產(chǎn)生振動和噪聲，而且發(fā)生熱膨脹導(dǎo)致軸承內(nèi)部游隙過小，內(nèi)部負荷過大，嚴重時會導(dǎo)致軸承磨損或抱死，威脅真空泵的穩(wěn)定運行，因此真空泵用驅(qū)動電機需要盡可能減少轉(zhuǎn)子上的損耗，降低轉(zhuǎn)子溫度。

目前，真空泵使用的驅(qū)動電機主要為感應(yīng)電機[2]和永磁同步電機(PMSM)[3]。而針對這一工程問題，已經(jīng)有學(xué)者開始尋找新的電機拓撲結(jié)構(gòu)并已進行了一系列相關(guān)的研究工作。文獻[4-6]分別以永磁輔助式同步磁阻電機、同步磁阻電機、開關(guān)磁阻電機作為真空泵驅(qū)動電機展開研究，研究分析了各電機各部分的損耗及其穩(wěn)態(tài)運行時的溫度分布；文獻[7]采用拼裝式結(jié)構(gòu)解決電機下線難的問題，并能在一定程度降低電機溫度；也有學(xué)者通過尋找更優(yōu)冷卻方式來降低電機溫升來達到更好的散熱效果，比如文獻[8]采用不同水道對真空泵用屏蔽電機進行冷卻并對散熱效果進行分析。

本文根據(jù)實際真空泵驅(qū)動工況要求，采用有限元法設(shè)計并優(yōu)化了1臺磁通切換永磁電機(FSPMSM)，并設(shè)計了2臺與其相同功率等級、定子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子永磁型電機，一臺是表貼式永磁同步電機(SPMSM)，另一臺是內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)。首先對3臺電機的電磁性能進行了對比分析，并得到電機各部分損耗，確定了系統(tǒng)內(nèi)熱源激勵，然后建立了3臺電機的電機與機殼一體化三維模型，3臺電機采用相同的水冷結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)電機內(nèi)部熱交換及相關(guān)傳熱學(xué)理論，確定溫度場邊界條件，假設(shè)理想工況，通過溫度場仿真得到電機內(nèi)部的溫度及熱應(yīng)力的分布情況，并對3臺電機的熱性能進行了對比與分析。

1 真空泵驅(qū)動電機模型

本文設(shè)計的FSPM采用12/10極結(jié)構(gòu)[9]，定、轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子齒間嵌入永磁體作勵磁用。同時,定轉(zhuǎn)子采用削角的方式來減小轉(zhuǎn)矩脈動和定轉(zhuǎn)子鐵耗[10]。FSPMSM作為定子永磁式電機，永磁體和繞組位于定子上，因此可通過機殼水冷方式有效控制電機的轉(zhuǎn)子和整體溫升[11]，避免真空工況下轉(zhuǎn)子溫度過高導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸抱死的情況發(fā)生，可以保證真空泵機組的耐用性和可靠性。

為了更好地驗證所設(shè)計的FSPMSM性能，同時設(shè)計了具有相同技術(shù)要求的SPMSM和IPMSM與之進行對比。圖1～圖3是3臺電機的二維拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 FSPMSM拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 SPMSM拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 IPMSM拓撲結(jié)構(gòu)

3臺電機定轉(zhuǎn)子采用同型號的硅鋼片疊壓而成，永磁體選用磁性能優(yōu)異的N30UH。

3臺電機參數(shù)如表1所示。為了更好地對比電機性能，3臺電機技術(shù)要求相同。

表1 3臺電機參數(shù)表

2 電磁性能對比

2.1 空載氣隙磁密

永磁電機的空載氣隙磁密波形影響著電機的空載反電動勢和輸出轉(zhuǎn)矩。氣隙磁密波形的優(yōu)劣直接影響電機的性能[12]。圖4為3臺電機的空載氣隙磁密波形對比圖。

圖4 3臺電機空載氣隙磁密波形對比圖

因為FSPMSM的氣隙磁密含有直流偏磁分量[13]，所以導(dǎo)致正弦度與轉(zhuǎn)子永磁型電機相差較大。但是其峰值比2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機更大，這是因為磁通切換定子永磁型電機采用了聚磁結(jié)構(gòu)。

2.2 空載反電動勢

永磁電機的空載反電動勢是機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[14]，圖5、圖6分別為3臺電機的空載反電動勢波形圖和反電動勢諧波分析圖。

圖5 3臺電機空載反電動勢波形圖

圖6 3臺電機空載反電動勢諧波分析圖

由圖6可知，3臺電機的空載反電動勢波形諧波幅值低，正弦度均較高。其中，磁通切換定子永磁型電機正弦度高是由于12/10極結(jié)構(gòu)的FSPMSM具有繞組一致性和繞組互補性[15]，可以減少或抵消永磁磁鏈和反電動勢波形中的高次諧波分量。

2.3 電機損耗

電機運行時的損耗是計算溫度場時的熱源，需要準(zhǔn)確計算。對3臺電機額定運行時的損耗進行計算，可知主要損耗為定子繞組銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、永磁體損耗。圖7為3臺電機的損耗對比圖。

圖7 3臺電機損耗對比圖

由圖7可知，F(xiàn)SPMSM轉(zhuǎn)子上的總損耗比其他2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機的轉(zhuǎn)子總損耗小，說明FSPMSM比轉(zhuǎn)子型永磁電機轉(zhuǎn)子總損耗有下降，證明本文設(shè)計思想具有可行性。從圖7還可知，與2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機相比，F(xiàn)SPMSM的定子鐵耗更低，這是由于本文設(shè)計的磁通切換定子永磁型電機將永磁體嵌入定子中，并采用了定轉(zhuǎn)子削角結(jié)構(gòu)，使得FSPMSM定子體積比2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機小，定子約為2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機定子的89%。因此，產(chǎn)生的鐵耗相對較少。另外，對比3臺電機的總損耗可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SPMSM的總損耗并不是最小的，一部分原因是其永磁體的渦流損耗要明顯比2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機的渦流損耗大。這是由于轉(zhuǎn)子永磁型電機的永磁體是以同步速度隨轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)，與旋轉(zhuǎn)磁場基波不存在切割，只有高次諧波對永磁體有相對運動，會在永磁體上產(chǎn)生渦流損耗，但是高次諧波比基波含量小很多，因此產(chǎn)生的渦流損耗也很小。而FSPMSM的永磁體位于定子上，除了高次諧波會切割永磁體產(chǎn)生渦流損耗外，基波也會切割永磁體，產(chǎn)生渦流損耗，因此，相比之下，F(xiàn)SPMSM的永磁體損耗更大。

3 溫度場對比

3.1 溫度場有限元基礎(chǔ)

真空泵用驅(qū)動電機溫度場熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射問題可以描述為[16]

(1)

式中:Kx、Ky、Kz分別為電機各介質(zhì)x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù);T為物體溫度;q為熱源密度;c為比熱容;γ為密度;τ為時間;K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù);S1為電動機絕熱邊界面;S2為電機的散熱邊界面;α為S2面的散熱系數(shù);Te為S2周圍介質(zhì)的溫度是時間函數(shù);Qi-j是由平面i到平面j傳遞的熱量;Ai是平面i的面積;Fij為2個平面的角系數(shù);ε是平面的總發(fā)射率;Ti、Tj分別為2個平面的溫度。

3.2 溫度場邊界條件

為了簡化計算過程，溫度場模型的邊界條件設(shè)置如下：定轉(zhuǎn)子內(nèi)各部件間為熱傳導(dǎo)邊界，機殼表面無空氣對流，設(shè)為自然散熱面邊界，溫度場仿真的環(huán)境溫度為25 ℃。

本文所研究的4.5 kW真空泵用驅(qū)動電機冷卻方式采用水冷設(shè)計，即沿機殼圓周方向設(shè)置螺旋水道。該冷卻方式屬于管道內(nèi)強制對流傳熱，將水冷系統(tǒng)的傳熱能力等效成水道傳熱系數(shù)，并假設(shè)水道內(nèi)表面光滑，無摩擦阻力。根據(jù)傳熱學(xué)原理[17]：

(2)

式中:Nu為努塞爾數(shù);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特數(shù);h為水道傳熱系數(shù);l為水道直徑;λ為流體熱導(dǎo);v為運動黏度;a為熱擴散率;ρ為流體密度;cp為比熱容。

3.3 溫度場仿真結(jié)果分析

采用ANSYS Workbench進行三維溫度場的計算仿真，在SolidWorks中繪制電機、機殼與水道，然后裝配成完整的三維電機模型。FSPMSM三維模型如圖8所示。

圖8 FSPMSM三維模型

本文研究的真空泵用驅(qū)動電機通過在定子繞組中澆筑環(huán)氧樹脂來進行密封，以保證真空泵運行環(huán)境內(nèi)的真空性和無泄漏性。將畫好的三維電機模型導(dǎo)入Workbench中，電機各部分損耗與其體積之比作為溫度場仿真中的熱源賦給溫度場計算模型，計算得到電機溫度分布[18-19]。圖9、圖10分別為SPMSM、IPMSM和FSPMSM的轉(zhuǎn)子與軸承溫度分布圖。

圖9 3臺電機轉(zhuǎn)子溫度分布圖

圖10 3臺電機軸承溫度分布圖

3臺電機轉(zhuǎn)子、軸承最高溫度如圖11所示。

圖11 3臺電機轉(zhuǎn)子、軸承最高溫度對比圖

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SPMSM的轉(zhuǎn)子鐵心最高溫度和軸承最高溫度比轉(zhuǎn)子永磁型電機低，原因是FSPMSM轉(zhuǎn)子上的總損耗比另外2臺轉(zhuǎn)子永磁型電機轉(zhuǎn)子上的總損耗低。在相同冷卻條件下，F(xiàn)SPMSM的轉(zhuǎn)子鐵心產(chǎn)生的熱量更少。在真空泵長時間運行工況中，F(xiàn)SPMSM轉(zhuǎn)子的溫升更小，運行更安全。

4 三維熱應(yīng)力場仿真分析

4.1 熱應(yīng)力場有限元基礎(chǔ)

當(dāng)電機內(nèi)各部件受溫度影響時會產(chǎn)生熱形變，而且各部件的形變量與溫度變化量成正比。當(dāng)溫度變化較大時，各部件會產(chǎn)生較大的熱形變，可能在電機的薄弱部位發(fā)生結(jié)構(gòu)問題[20]。

根據(jù)熱應(yīng)力理論，通過將彈性力學(xué)中的胡克定律推廣到熱應(yīng)力問題上，得到物體熱應(yīng)力的數(shù)學(xué)表達式[21]：

(3)

式中:εx、εy、εz為x、y、z方向上的應(yīng)變;E為物體的彈性模量;σx、σy、σz為x、y、z方向上的正應(yīng)力;μ為泊松比;β為線性膨脹系數(shù)。

4.2 熱應(yīng)力場仿真結(jié)果分析

針對軸承內(nèi)套溫升高，易磨損的問題，對轉(zhuǎn)軸上軸承的熱形變進行了仿真分析，將溫度場的仿真結(jié)果作為熱應(yīng)力場的載荷代入熱應(yīng)力場進行仿真[22-23]。由于本文關(guān)注的是轉(zhuǎn)軸上軸承的熱形變，將研究重點為轉(zhuǎn)軸上軸承部分的熱應(yīng)力場分布。圖12、圖13所示分別為采用3臺電機的轉(zhuǎn)軸與軸承的熱形變圖和熱應(yīng)力圖。表2為3臺電機軸承內(nèi)套、外套、滾珠的最大熱形變和熱應(yīng)力對比表。

圖12 3臺電機軸承熱形變分布對比圖

圖13 3臺電機軸承熱應(yīng)力分布對比圖

表2 3臺電機熱形變與熱應(yīng)力對比表

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，3臺電機的軸承內(nèi)套形變量均大于軸承外套，并且，與轉(zhuǎn)子永磁型電機相比，F(xiàn)SPM的熱形變、熱應(yīng)力更小，在真空泵驅(qū)動電機額定運行工況下，使出現(xiàn)軸承抱死的危險情況得以降低。

5 結(jié) 語

FSPM在真空泵用驅(qū)動電機領(lǐng)域具有良好的發(fā)展空間和巨大潛力。本文通過多物理場仿真的方法，采用有限元軟件對所設(shè)計的FSPMSM、SPMSM、IPMSM的電磁場、溫度場以及熱應(yīng)力場進行了仿真計算與對比分析，得出以下主要結(jié)論:

(1) 通過對比3臺電機的電磁場和溫度場仿真結(jié)果可知，F(xiàn)SPMSM比轉(zhuǎn)子永磁型電機轉(zhuǎn)子溫升更低，比同功率等級的SPMSM低了6.41 ℃，即11.18%；比IPMSM低了15.67 ℃，即23.50%。仿真結(jié)果驗證了采用FSPMSM可以解決真空泵驅(qū)動環(huán)境下轉(zhuǎn)子溫升高，散熱難的問題。

(2) 通過3臺電機熱應(yīng)力場對比，可以發(fā)現(xiàn)FSPMSM的熱形變比轉(zhuǎn)子永磁型電機電機更小，比同功率等級的SPMSM低了1.83×10-4mm，即19.7%；比IPMSM低了4.97×10-4mm，即40%。仿真結(jié)果驗證了采用FSPM作為真空泵驅(qū)動電機，軸承的熱形變更小，減少了軸承抱死的風(fēng)險。