真空干泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻效果分析*

韓雪秋, 安躍軍, 安 輝, 孔祥玲, 畢德龍

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)科學(xué)儀器股份有限公司 真空干泵事業(yè)部，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，企業(yè)對(duì)于節(jié)能水平和設(shè)備質(zhì)量的要求越來(lái)越高，因此各種類(lèi)型的泵產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)得以快速發(fā)展。干式真空泵以其無(wú)污染、無(wú)油的清潔特性得到廣泛應(yīng)用[1]。常見(jiàn)的干式真空泵有多級(jí)羅茨式、多級(jí)爪式、螺桿式和渦旋式羅茨爪式組合式干泵機(jī)組。本文的研究對(duì)象是羅茨真空泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于真空干泵的工作環(huán)境特殊，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)與泵同軸，多采用屏蔽電機(jī)。為了防止泵輸送的液體損壞電機(jī)內(nèi)部，屏蔽電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子通常帶有屏蔽套，在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生屏蔽套損耗，故真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)面臨著溫升過(guò)高、散熱難的問(wèn)題。溫升過(guò)高會(huì)引起電機(jī)繞組絕緣損壞、鼠籠導(dǎo)條強(qiáng)度遭到破壞，因此分析電機(jī)各部分的溫度分布情況并設(shè)計(jì)合理高效的冷卻系統(tǒng)降低電機(jī)溫升是真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)研發(fā)的重中之重[2]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于電機(jī)溫升的研究，目前常用的分析方法為有限元法。有限元法既可以精確地計(jì)算電機(jī)各部分的溫度分布情況，又可以計(jì)算出局部過(guò)熱點(diǎn)[3-4]。同時(shí)計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)很成熟，可以通過(guò)有限元軟件對(duì)流體場(chǎng)進(jìn)行多物理量的數(shù)值模擬，為電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供幫助。電機(jī)的冷卻方式通常分為風(fēng)冷和液冷。常見(jiàn)的液冷有水冷和油冷。2007年國(guó)外學(xué)者將冷卻通道建在電機(jī)的定子鐵心軛部，取得了很好的冷卻效果[5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)建立流固耦合模型的方法分析比較螺旋型和折返型水道，得出減小壓差的方法[6]。真空干泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部多為真空環(huán)境，在工作過(guò)程中存在發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此采用液冷冷卻方式。

本文以1臺(tái)2.9 kW真空泵用屏蔽電機(jī)為模型，使用商業(yè)有限元軟件計(jì)算電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，建立電機(jī)三維模型。根據(jù)電機(jī)的生熱情況設(shè)計(jì)機(jī)殼內(nèi)螺旋冷卻水道尺寸，使用Ansys軟件對(duì)螺旋水道中冷卻介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)和電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了冷卻效果。

1 真空泵屏蔽電機(jī)建模與損耗計(jì)算

1.1 屏蔽電機(jī)建模仿真

羅茨真空泵的泵頭通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封，運(yùn)行時(shí)可能存在泄漏，因此真空泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用屏蔽式電機(jī)[7]。屏蔽式電機(jī)是在異步電機(jī)的基礎(chǔ)上在電機(jī)定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑添加屏蔽套，使泵頭、電機(jī)機(jī)殼端部和屏蔽套處于封閉的空間內(nèi)，防止真空泵運(yùn)行過(guò)程中氣體的泄漏[8]。

本文所研究的2.9 kW羅茨真空泵用屏蔽電機(jī)由機(jī)殼、定子鐵心、定子屏蔽套、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、轉(zhuǎn)子端環(huán)和轉(zhuǎn)軸組成。圖1為電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為磁通密度云圖。表1給出了電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1 2.9 kW真空泵驅(qū)動(dòng)用電機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電機(jī)磁通密度云圖

表1 真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本參數(shù)

電機(jī)的定子槽選擇梨型槽，在電機(jī)定子內(nèi)徑設(shè)置屏蔽套防止氣體泄漏。屏蔽套的材料選擇SUS304非導(dǎo)磁型材料。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用由銅導(dǎo)條焊接而成的鼠籠型導(dǎo)條，以降低轉(zhuǎn)子損耗、減少發(fā)熱量、提高電機(jī)效率。

1.2 電機(jī)損耗計(jì)算

異步電機(jī)的損耗主要包括鐵耗、銅耗、屏蔽套損耗、機(jī)械損耗和附加損耗。

異步電機(jī)鐵耗分為定子鐵耗和轉(zhuǎn)子鐵耗，因轉(zhuǎn)子鐵耗占比較小，一般可忽略不計(jì)。定子鐵耗包括磁滯損耗Ph和渦流損耗Pc，其中磁滯損耗是由鐵磁物質(zhì)交變磁化所產(chǎn)生的損耗，渦流損耗是鐵心磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生渦電流所對(duì)應(yīng)的損耗。與鐵耗相關(guān)的2項(xiàng)損耗可以按照下式計(jì)算：

(1)

式中：PFe為總的鐵心損耗；σh和σc為磁滯損耗系數(shù)和渦流損耗系數(shù)；f為磁場(chǎng)頻率；Bm為磁密幅值；α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

鼠籠異步電機(jī)銅耗包括定子繞組的銅耗和鼠籠導(dǎo)條上產(chǎn)生的銅耗，可按下式計(jì)算：

(2)

式中：PCu1為定子繞組銅耗；PCu2為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條銅耗；m1為電機(jī)相數(shù)；I1為定子相電流；I′2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流；R1為定子繞組電阻；R′2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻。

機(jī)械損耗包括軸承摩擦損耗和通風(fēng)損耗。本文研究的屏蔽式異步電機(jī)是全封閉式結(jié)構(gòu)且轉(zhuǎn)子處于真空環(huán)境中，因此不存在通風(fēng)損耗。電機(jī)的摩擦損耗可根據(jù)下式估算：

(3)

式中：Pf為軸承摩擦損耗；F為軸承載荷；d為以軸承中心與滾珠中心間距離為半徑的圓的直徑；v為滾珠中心的圓周速度。

鼠籠異步電機(jī)的附加損耗成因復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計(jì)算。本文主要考慮電機(jī)在繞組周?chē)a(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)，在繞組及其附近的金屬構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流損耗，其值可由下式估算：

(4)

式中：P2v為定子相帶諧波磁勢(shì)在籠型轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的附加損耗；N1為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；R2v為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條交流電阻；Kdpv為v次諧波的定子繞組系數(shù)；K2v為假想的轉(zhuǎn)子繞組對(duì)v次諧波的繞組系數(shù)；Pz2為定子齒諧波磁勢(shì)在籠型轉(zhuǎn)子繞組里產(chǎn)生的附加損耗；R′z2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條交流電阻；Cm為轉(zhuǎn)子損耗系數(shù)。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)在屏蔽套內(nèi)產(chǎn)生的渦流損耗被稱(chēng)為屏蔽套損耗，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(5)

式中：Bδ為氣隙磁密；n為同步轉(zhuǎn)速；D1為定子內(nèi)徑；L1為定子鐵心長(zhǎng)；δ1為屏蔽套厚度；ρ為屏蔽材料電阻系數(shù)；Kp為渦流損耗修正系數(shù)。

通過(guò)建立真空泵電機(jī)二維模型，使用商用有限元軟件仿真求得電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的各部分損耗，結(jié)果如表2所示。

表2 電機(jī)內(nèi)各部分損耗 W

2 電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)榱_茨真空泵工作環(huán)境中存在有害物質(zhì)，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子被屏蔽套包裹處于密閉狀態(tài)，加劇了電機(jī)的散熱難度，所以選擇采用散熱效果較好的液體冷卻方式[9]。本文電機(jī)選擇F級(jí)絕緣，其允許溫升為105 K，繞組的溫度限制為最高155 ℃。冷卻介質(zhì)水的物理特征參數(shù)如表3所示。

表3 水的相關(guān)物理參數(shù)表

電機(jī)發(fā)熱最嚴(yán)重的部位是定子繞組，因此將冷卻水道嵌放在機(jī)殼內(nèi)，定子鐵心熱裝入機(jī)殼，實(shí)現(xiàn)鐵心與機(jī)殼的密切接觸，利于傳導(dǎo)散熱。水道的結(jié)構(gòu)為軸向結(jié)構(gòu)，進(jìn)出水口分布在電機(jī)兩側(cè)，冷卻水與機(jī)殼接觸面積較大，冷卻效果更好，適用于發(fā)熱嚴(yán)重的電機(jī)[10]。

2.2 冷卻水道尺寸的設(shè)計(jì)

電機(jī)水道的內(nèi)徑為137 mm，水道的截面為矩形，長(zhǎng)為22 mm，寬為4 mm。圖3為電機(jī)螺旋水道模型。表4給出了電機(jī)機(jī)殼和冷卻結(jié)構(gòu)的尺寸數(shù)據(jù)。

圖3 螺旋形水道(mm)

表4 電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)尺寸 mm

計(jì)算電機(jī)的總損耗：

P=PFe+PCu+P0+Pf+Ps=762 W

(6)

然后根據(jù)傳熱學(xué)原理計(jì)算電機(jī)冷卻系統(tǒng)所需的各項(xiàng)參數(shù)[11]。

冷卻水道內(nèi)冷卻介質(zhì)的流速計(jì)算式如下：

(7)

式中：Q為流量；A為水道截面積,A=a×b；W為水道流速；a、b為水道截面的長(zhǎng)和寬，分別為22 mm和4 mm。

由式(7)可計(jì)算出流量為4.5 L/min時(shí)水道流速為0.85 m/s。

流體的雷諾數(shù)是判別流體流動(dòng)狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，流動(dòng)的流體處于層流狀態(tài)。雷諾數(shù)越大，慣性對(duì)流場(chǎng)的影響越大，水流速度越大，水流越雜亂無(wú)章，流體越趨向于湍流。湍流更有利于散熱。因此，設(shè)計(jì)電機(jī)水道的截面尺寸時(shí)應(yīng)考慮使流體在管道內(nèi)以一定流速流動(dòng)時(shí)處于湍流狀態(tài)。流體的雷諾數(shù)可根據(jù)下式計(jì)算：

(8)

式中：Re為流體的雷諾數(shù)；De為當(dāng)量直徑；U為水槽的濕潤(rùn)周長(zhǎng)。

矩形截面的螺旋型水道的雷諾數(shù)超過(guò)4 000時(shí),管道內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流[12]。計(jì)算本文設(shè)計(jì)的水道內(nèi)冷卻介質(zhì)的雷諾數(shù)為7 082，大于4 000，因此螺旋形水道內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流。可以忽略流體的黏性力，認(rèn)為其是不可壓縮流體，處于湍流狀態(tài)有利于電機(jī)的散熱。

可根據(jù)下式計(jì)算努塞爾特系數(shù)并求解水道的對(duì)流換熱系數(shù)α1[13]：

(9)

式中：m為水道內(nèi)流量；εr為螺旋管的修正系數(shù)；R0為螺旋管的曲率半徑。將水的物理性質(zhì)參數(shù)代入式(9)，求得Nu=31.76，進(jìn)而求得水道的對(duì)流換熱系數(shù)α1=2 909 W/(m2·K)。

設(shè)冷卻介質(zhì)進(jìn)口處溫度為25 ℃，則可以根據(jù)下式計(jì)算冷卻通道內(nèi)冷卻介質(zhì)的平均溫度tf和平均溫升Δt，便于后續(xù)計(jì)算螺旋型水道的伸展長(zhǎng)度和圈數(shù)：

(10)

式中：tin、tout為進(jìn)出水口的溫度；tw為壁溫。

若電機(jī)產(chǎn)生的熱量全部被冷卻水吸收，則電機(jī)的冷卻效果達(dá)到最佳。根據(jù)下式可以計(jì)算冷卻水道內(nèi)冷卻水吸收的熱量和由冷卻管道吸收的熱量：

(11)

式中：Φ1為冷卻水吸收的總熱量；Φ2為冷卻水從水道吸收的熱量；L為螺旋管伸展長(zhǎng)度。

由式(10)、式(11)聯(lián)立求得冷卻流道平均溫度為25.1 ℃，平均溫升為5.7 K。電機(jī)冷卻水吸收的熱量與冷卻水道吸收的熱量相等，并且其值≥電機(jī)產(chǎn)生的損耗時(shí)，冷卻系統(tǒng)才有效。因此使Φ1=Φ2=762 J，求得螺旋管道的伸展長(zhǎng)度為2.15 m。由公式n=L/(πd1)求得螺旋管的圈數(shù)n約為5，其中d1為螺旋管的內(nèi)徑。

2.3 冷卻水道流速和壓降分析

圖4所示為螺旋型水道的流速分布仿真結(jié)果。由圖4可見(jiàn)螺旋型水道的流速較為均勻，平均流速可以達(dá)到0.885 m/s。水道轉(zhuǎn)彎處流速下降，最低為0.703 m/s。流速降低，熱對(duì)流散熱效果減弱，會(huì)在轉(zhuǎn)彎流速降低處產(chǎn)生溫度較高的點(diǎn)。

圖4 水道流速分布

冷卻介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中，水道的路徑和截面的變化所產(chǎn)生的阻力消耗了冷卻介質(zhì)動(dòng)能，因此產(chǎn)生了管流壓降。螺旋型水道的管道壓降仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 水道壓力分布

冷卻水道的流阻可分為沿程阻力和局部阻力[14]，可以根據(jù)下式計(jì)算沿程阻力和局部阻力的值:

(12)

式中：Hf為沿程阻力；ξf為沿程阻力系數(shù)；g為重力加速度,取10 m/s2；v0為水道內(nèi)平均流速；Hj為局部阻力；ξj為局部阻力系數(shù)[15]。

由圖5可見(jiàn)螺旋型水道的進(jìn)出口壓降為Δp=5 687 Pa。管道壓降決定了水道入口處水泵消耗的功率，因此了解管道壓降對(duì)于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要作用。

3 屏蔽式電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真

3.1 屏蔽式電機(jī)的溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

將真空泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳熱情況用電機(jī)內(nèi)部各部分熱源和邊界條件進(jìn)行描述，根據(jù)傳熱學(xué)理論得出當(dāng)?T/?τ=0(T為溫度，τ為時(shí)間)時(shí)電機(jī)內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。其表達(dá)式為

(13)

式中：Kx、Ky、Kz為電機(jī)內(nèi)介質(zhì)在x、y、z正方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；S1為電機(jī)的絕熱邊界面；S2為電機(jī)的散熱邊界面；Te為S2周?chē)橘|(zhì)的溫度；q為熱源密度；c為比熱容；γ為密度；β為S2面的散熱系數(shù)；K為S1、S2面的法向?qū)嵯禂?shù)[16]。

在計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)需要給定電機(jī)邊界條件，如電機(jī)所處環(huán)境的溫度、電機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱流密度。通常定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)部零件之間的邊界條件為熱傳導(dǎo)，屏蔽套與氣隙之間的邊界條件為熱輻射，機(jī)殼水道間的傳熱方式為熱對(duì)流，機(jī)殼與空氣接觸為自然散熱[17]。

3.2 電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

在電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真過(guò)程中，由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境非常復(fù)雜，為了降低計(jì)算難度，通常選擇將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的繞組的導(dǎo)熱性能等效處理[18]。將定子槽內(nèi)的銅線、槽絕緣和空氣等效為一個(gè)實(shí)體，計(jì)算其等效導(dǎo)熱系數(shù)λj：

(14)

式中：δi為單個(gè)槽體內(nèi)各部分的厚度；λi為槽內(nèi)各個(gè)實(shí)體的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3 屏蔽式電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真

3.3.1 電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分析

將電機(jī)三維模型導(dǎo)入溫度場(chǎng)仿真軟件中，對(duì)簡(jiǎn)化的三維模型進(jìn)行剖分。同時(shí)將電機(jī)的各部分損耗分別計(jì)算成熱流密度，然后在溫度場(chǎng)仿真軟件內(nèi)給電機(jī)各部件添加材料和熱流密度，并對(duì)電機(jī)的散熱邊界條件進(jìn)行設(shè)置。電機(jī)各部件的熱流密度值如表5所示。

表5 電機(jī)各部件熱流密度數(shù)值 W/mm3

圖6和圖7分別是電機(jī)定子鐵心和定子繞組的溫度分布云圖。由圖6可見(jiàn)定子鐵心的溫度沿徑向遞減，最高點(diǎn)在定子內(nèi)徑的圓周上，溫度值為48.3 ℃。由圖7可見(jiàn)，定子繞組的端部是溫度最高的部位，達(dá)到了68.2 ℃，而包裹在絕緣內(nèi)的有效繞組的溫度比較低，與端部的溫度相差20 K。這是由于有效繞組所在的定子鐵心外部有機(jī)殼水道覆蓋，有效繞組產(chǎn)生的熱量通過(guò)定子鐵心熱傳導(dǎo)至機(jī)殼，然后再被機(jī)殼內(nèi)的冷卻水通過(guò)對(duì)流傳熱帶走。

圖6 定子鐵心溫度分布

圖7 定子繞組溫度分布

圖8和圖9分別是轉(zhuǎn)子鼠籠和鐵心的溫度分布云圖。對(duì)于屏蔽式異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子的運(yùn)行環(huán)境與外界隔絕，散熱十分困難，因此轉(zhuǎn)子的溫升較高。轉(zhuǎn)子鼠籠的最高溫度在兩側(cè)端環(huán)，最高溫度為41.2 ℃，溫升為16.2 K。由于電機(jī)的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，鼠籠的溫度呈軸向?qū)ΨQ(chēng)分布。

圖8 轉(zhuǎn)子鼠籠溫度分布

圖9 轉(zhuǎn)子鐵心溫度分布

3.3.2 不同工況下電機(jī)的溫度場(chǎng)分析

由電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果可知，真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定工作狀態(tài)下的溫升符合F級(jí)絕緣等級(jí)要求。但電機(jī)在運(yùn)行中遇到的特殊情況會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫升過(guò)高，因此電機(jī)絕緣等級(jí)的溫升限制和繞組最高溫度限制需留有一定的安全裕量。

圖10為電機(jī)在9.5 N·m額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，繞組溫度最高點(diǎn)溫度變化曲線。溫度快速增長(zhǎng)并在1 346 s后穩(wěn)定在68.2 ℃附近，其溫升距離絕緣限制還有很大的余量。

圖10 額定負(fù)載下定子繞組的溫度變化曲線

當(dāng)真空干泵遇到機(jī)械或系統(tǒng)故障時(shí)，其漏氣速率會(huì)增大，使電機(jī)承受極大的沖擊負(fù)載。在該沖擊負(fù)載的作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)下降，定子相電流升高，電機(jī)各部分損耗增大，導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。表6為電機(jī)在二倍額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行時(shí)的各部分損耗。

表6 二倍額定負(fù)載時(shí)的電機(jī)損耗 W

利用表6損耗值計(jì)算熱流密度，對(duì)二倍負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行的電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖11所示。電機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行，溫度達(dá)到穩(wěn)定。在1 500 s時(shí)電機(jī)開(kāi)始在二倍額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行。在此工況下運(yùn)行1 268 s后繞組溫度升至130 ℃，溫升達(dá)到F級(jí)絕緣等級(jí)的溫升限制105 K。因此,電機(jī)在二倍額定負(fù)載沖擊下運(yùn)行超過(guò)1 268 s(約21 min)會(huì)達(dá)到絕緣極限溫度，如果繼續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

圖11 二倍額定負(fù)載下定子繞組的溫度變化曲線

當(dāng)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障、冷卻水中斷時(shí)，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于自然散熱條件下，電機(jī)的溫度會(huì)快速上升直到絕緣燒壞。圖12為冷卻水故障條件下的電機(jī)瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。分析仿真結(jié)果可以得出，電機(jī)在冷卻水故障條件下運(yùn)行1 440 s(24 min)后，繞組溫度升至130 ℃，溫升達(dá)到F級(jí)絕緣等級(jí)的溫升限制105 K。

圖12 冷卻系統(tǒng)故障時(shí)定子繞組溫度變化曲線

4 溫升試驗(yàn)

為了驗(yàn)證真空干泵用特種電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)2.9 kW螺旋形冷卻水道屏蔽式電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 1032—2012，電機(jī)的溫升試驗(yàn)方法有電阻法、溫度計(jì)法和埋置檢溫計(jì)法。由于真空干泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)特殊，本文采用在電機(jī)定子繞組埋置pt100溫度傳感器的方法。pt100溫度傳感器通常埋置在電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的繞組端部。在樣機(jī)的定子繞組端部放置多個(gè)pt100溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試，獲得繞組端部的溫度最高點(diǎn)。真空干泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫升試驗(yàn)平臺(tái)由電渦流制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、pt100溫度傳感器、功率分析儀、三相電源和變頻器構(gòu)成。其中電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩采用電渦流制動(dòng)器測(cè)量，電機(jī)轉(zhuǎn)速用非接觸式的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量，電機(jī)的輸入功率由功率分析儀測(cè)量。在電機(jī)工作的過(guò)程中配備了一套水冷循環(huán)系統(tǒng)，包括水冷機(jī)、管線、閥門(mén)和流量計(jì)，分別為電機(jī)和變頻器進(jìn)行冷卻。圖13為真空干泵用電機(jī)溫升試驗(yàn)臺(tái)。

圖13 真空干泵用屏蔽電機(jī)溫升試驗(yàn)臺(tái)

在電機(jī)溫升試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)電渦流制動(dòng)器使2.9 kW屏蔽式異步電機(jī)在負(fù)載下工作，保持外界環(huán)境溫度與仿真設(shè)置的外界條件一致，使水道的進(jìn)水口流量保持在4.5 L/min，環(huán)境溫度為25 ℃，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pt100數(shù)字顯示儀上的溫度值，直到溫度值在間隔30 min內(nèi)變化不超過(guò)1 K，真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫升達(dá)到穩(wěn)定為止。表7給出了電機(jī)溫升試驗(yàn)的結(jié)果、溫度場(chǎng)仿真的溫升結(jié)果及仿真誤差。

由表7可知，電機(jī)溫升仿真值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為3.24%，在工程允許范圍之內(nèi)。電機(jī)冷卻效果較好，因此電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理并且電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果是有效的。

表7 電機(jī)溫升試驗(yàn)值與仿真值

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從工程實(shí)際需要出發(fā)，為1臺(tái)2.9 kW真空干泵驅(qū)動(dòng)用屏蔽電機(jī)設(shè)計(jì)和匹配了冷卻水道結(jié)構(gòu)和參數(shù)。針對(duì)電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題開(kāi)展了仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:

(1) 通過(guò)三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真，明確了電機(jī)溫度場(chǎng)分布情況，溫度最高點(diǎn)位于繞組端部，電機(jī)溫升為43.2 K。溫升試驗(yàn)結(jié)果為44.7 K，仿真結(jié)果誤差為3.24%。說(shuō)明F級(jí)絕緣等級(jí)有合適的安全裕度，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

(2) 對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)的直排大氣和冷卻水中斷工況，開(kāi)展瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析，結(jié)果表明,電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行至溫度穩(wěn)定后，將負(fù)載加至二倍額定負(fù)載，電機(jī)運(yùn)行超過(guò)21 min后會(huì)燒毀；額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，在冷卻水中斷條件下，電機(jī)運(yùn)行24 min后會(huì)燒毀。

(3) 所獲得的在二倍負(fù)載狀態(tài)和冷卻水中斷時(shí)故障狀態(tài)下電機(jī)可安全運(yùn)行的極限時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)確定真空泵采取合理技術(shù)手段和保護(hù)措施的窗口期提供了科學(xué)依據(jù)。