新型移相式屏蔽電動機屏蔽套渦流與溫升分析

安躍軍,張強,李文瑞,師勇

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

新型移相式屏蔽電動機屏蔽套渦流與溫升分析

安躍軍1,張強1,李文瑞1,師勇2

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

針對屏蔽電動機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電勢的思想,提出了新型移相式屏蔽電動機結構。通過兩個同軸相連的單元異步電動機定子繞組在周向空間上相差一個極距安置,使兩個單元電動機旋轉磁場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電勢,相互抵消,從而抑制渦流損耗,降低屏蔽套溫升,以提高屏蔽電動機的可靠性和安全性。渦流場分析表明:新型結構屏蔽電動機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機屏蔽套上感應電勢的抵消作用;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,算例屏蔽電動機屏蔽套溫升下降了13 ℃,其熱應力及熱膨脹也會隨著溫度的降低而減小。移相式屏蔽電動機具有工程開發(fā)價值,可為改進當前屏蔽電動機產(chǎn)品的可靠性和安全性提供技術方案。

屏蔽電動機;雙段移相式結構;渦流損耗;溫升

在現(xiàn)代介質傳輸裝置中,屏蔽電動機與泵一體化的屏蔽泵具有完全無泄漏、結構緊湊、質量輕和高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點[1]。屏蔽泵的動力核心是屏蔽電動機[2-4],該電動機是在普通三相異步電動機之上派生而來的。屏蔽電動機與泵構成一個封閉的整體,無需軸封結構,定子內側和轉子外側各裝有一個金屬屏蔽套,這樣輸送的介質可以進入電動機內部而不與定、轉子接觸[3],確保定、轉子鐵心和繞組不受所傳輸介質的腐蝕,實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。然而,根據(jù)電磁感應定律,處在定、轉子之間的金屬材質屏蔽套會產(chǎn)生感應電勢,渦流損耗過大、屏蔽套溫升過高,進而導致屏蔽套起皺、鼓包和破裂而釀成事故,所以抑制屏蔽套渦流、降低電機損耗有利于提高電機的安全性,具有重要意義和實用價值。

1 屏蔽套渦流損耗估算與抑制措施

屏蔽套是分布式導體,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[5]在進行一系列假設的情況下,基于導體電阻損耗推導出屏蔽套渦流損耗,表達式如下

(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;f為氣隙磁場的頻率;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、長度,氣隙磁密和材料電阻率等直接相關。傳統(tǒng)抑制屏蔽套損耗的途徑如下[6]。

(1)減少定子鐵心內徑。屏蔽套損耗p與其直徑Dx的立方成正比,通常的屏蔽電動機將其設計為細長形。

(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,通常屏蔽電動機設計時氣隙磁密較低,一般為0.45～0.6 T。

(3)選用強度高、耐腐蝕、電阻率高、導熱性能好、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)生的感應電勢,而傳統(tǒng)抑制途徑只是被動地降低屏蔽套渦流損耗。本文提出一種目的在于主動根除渦流的新思想,就是消除屏蔽套中的感應電勢,構造一種新型雙段移相式電動機結構,以便更有效地抑制渦流損耗。

2 新型移相屏蔽電動機

本文提出的雙段移相式屏蔽電動機結構如圖1所示,與傳統(tǒng)屏蔽電動機尺寸的對比如表1所示。

表1 雙段移相屏蔽電動機與傳統(tǒng)屏蔽電動機尺寸對比

樣機額定功率/kW極數(shù)定子外徑/mm定子內徑/mm鐵心長度/mm定子屏蔽套長度/mm雙段移相屏蔽電動機1 541207580+80300傳統(tǒng)屏蔽電動機1 5412075160300

1為單元電動機a的定子鐵心;2為單元電動機b的定子鐵心;3為單元電動機a的轉子鐵心;4為軸;5為定子屏蔽套;6為端蓋;7為軸承;8為單元電動機b的轉子鐵心;9為機殼;10為轉子屏蔽套

新型雙段移相式屏蔽電動機主要有以下特點。

(1)雙段移相式屏蔽電動機由兩個軸向排列、同軸裝配的單元電動機構成。

(2)兩個單元電動機共用一個定子屏蔽套和一個轉子屏蔽套。

(3)兩個單元電動機在結構形式和尺寸參數(shù)上相同。

(4)兩個定子繞組在周向空間上相差一個極距,兩個定子繞組接入同一交流電源,在電動機氣隙內形成兩個強度相同、轉速相同、轉向相同的旋轉磁場,兩磁場在屏蔽套上產(chǎn)生大小相等而方向相反的感應電勢,可相互抵消。

(5)兩個轉子上產(chǎn)生的電磁轉矩大小相等、方向相同,合成轉矩驅動屏蔽泵葉輪實現(xiàn)機電能量轉換[2,4]。

3 屏蔽套渦流特性分析

屏蔽套受旋轉磁場的切割會產(chǎn)生感應電勢進而在屏蔽套內產(chǎn)生渦流,屏蔽套導電具有分布特性,使得渦流路徑不會像導線那樣被約束在規(guī)劃好的區(qū)域內。所以,屏蔽套渦流大小和路徑難以用傳統(tǒng)“路”的方法計算和確定。為此,本文利用有限元方法對屏蔽套渦流特性加以計算和分析,也為溫度場計算做準備。

根據(jù)表1的電動機參數(shù),在有限元軟件中建立屏蔽電動機模型。為便于渦流損耗的對比,建模時忽略諧波的影響,同時雙段移相式屏蔽電動機和傳統(tǒng)屏蔽電動機定、轉子采用相同的槽形尺寸,屏蔽套也采用相同材質和長度的不銹鋼,運用零切向磁場強度邊界條件進行有限元分析[7]。

利用有限元軟件建立的雙段移相式屏蔽電動機和傳統(tǒng)屏蔽電動機三維模型[8]如圖2所示。

(a)雙段移相式屏蔽電動機

(b)傳統(tǒng)結構屏蔽電動機1、6為定子屏蔽套;2、3為單元電動機I定子繞組和鐵心;4、5為單元電動機II定子鐵心和繞組;7、8為傳統(tǒng)屏蔽電動機定子繞組和鐵心

由于定子屏蔽套中產(chǎn)生的是分布式感應電勢,無法得出直觀的仿真結果,而渦流是感應電勢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電勢變化。圖3是交變磁場在兩種結構屏蔽電動機屏蔽套上產(chǎn)生的電流密度的矢量圖。從圖中可以看出,傳統(tǒng)屏蔽電動機屏蔽套上的電密在屏蔽套中間位置最大,電流密度只在兩側端部附近略有下降,且降幅不明顯,元件邊所對應的中間區(qū)域電流密度最高達到9.7A/mm2。在雙段移相式屏蔽電動機兩套定子繞組之間的一段公共區(qū)域內(黑線之間),由于兩個極性相反的交變磁場的作用,在導電材質的屏蔽套上產(chǎn)生的感應電勢方向相反,感應電流方向也相反。由圖3可見,公共區(qū)域內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機屏蔽套相對傳統(tǒng)屏蔽電動機電流密度的最大值下降了25.8%。

(a)雙段移相式屏蔽電動機

(b)傳統(tǒng)結構屏蔽電動機

屏蔽套渦流損耗與電流密度的關系為[9]

(3)

式中:J為電流密度;σ為電導率;p為渦流損耗;Ω為對應介質體積。

由式(3)可知,若屏蔽套電導率不變的話,隨J減小,渦流損耗以方次比例降低。

兩種結構的電動機定子屏蔽套損耗如圖4所示。從圖中可以看出,傳統(tǒng)屏蔽電動機渦流損耗平均值約為282 W,而雙段移相式屏蔽電動機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比

4 屏蔽套穩(wěn)態(tài)溫升分析

屏蔽電動機運行時會產(chǎn)生損耗,這些損耗都會轉變?yōu)闊崮?使電動機各部分的溫度升高。屏蔽套產(chǎn)生渦流損耗同樣會導致屏蔽套的溫度升高,該溫升會使屏蔽套產(chǎn)生熱變形,起皺甚至破損,安全系數(shù)降低。因此,正確計算屏蔽電動機溫升情況,不僅可以優(yōu)化電動機設計,還可以為電動機更高效、更安全地運行奠定堅實的基礎。

4.1 溫度場數(shù)學模型

根據(jù)傳熱學理論[10],屏蔽電動機內溫度場問題可以用三維熱傳導方程描述

(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(℃,時間的函數(shù));α為S2面的散熱系數(shù);K為S1和S2面法向導熱系數(shù);Kx、Ky、Kz分別為電動機各介質x、y、z方向的導熱系數(shù)。

4.2 溫度場仿真

為方便計算,給出求解區(qū)域的基本假設和邊界條件如下。

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

邊界條件:由于轉子屏蔽套損耗和溫升相對于定子屏蔽套很小,在溫度場分析中可以忽略,認為定子屏蔽套與氣隙之間由空氣流動散熱;機殼外表面為散熱面。

將電磁場有限元分析所得各項損耗賦值,添加各散熱面散熱系數(shù),建立電動機溫度場仿真模型,得到溫度場仿真計算結果如圖5和圖6所示。

圖5 雙段移相式結構屏蔽電動機定子屏蔽套溫度分布

圖6 傳統(tǒng)結構屏蔽電動機定子屏蔽套溫度分布

從圖5、圖6可以看出,相對于傳統(tǒng)屏蔽電動機,雙段移相式屏蔽電動機在額定運行時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磁場在其上感應電勢所產(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應的區(qū)域。對于傳統(tǒng)屏蔽電動機,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,雙段移相式結構的屏蔽套熱源熱量低,導致整體溫度低,中間區(qū)域由于兩套勵磁繞組的共同作用,導致溫度比兩側高,在定子屏蔽套、鐵心和機殼同等長度的情況下,多出的端部使得繞組與機殼之間的空氣所占體積減少,因此在兩側很小的一段區(qū)域比傳統(tǒng)電動機屏蔽套溫度略高。

通過圖7的數(shù)據(jù)分析可得,傳統(tǒng)屏蔽電動機定子屏蔽套平均溫度為100℃,雙段移相式屏蔽電動機定子屏蔽套平均溫度為87℃,降低了13 ℃。雙段移相式屏蔽電動機定子屏蔽套的溫升相比傳統(tǒng)屏蔽電動機下降很多,同時熱應力也會隨之減小,而該結構電動機屏蔽套的受熱膨脹及熱變形會得到抑制。在工程實踐中,采用此結構的屏蔽電動機不僅可以顯著提高屏蔽電動機的效率,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機的運行安全性。

圖7 額定負載時定子屏蔽套溫升分布

5 結 論

本文提出一種新型雙段移相式屏蔽電動機結構,通過三維渦流場有限元仿真,得到屏蔽套渦流損耗以及相對應的溫升分布。通過渦流場分析表明,新型結構屏蔽電動機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機屏蔽套上感應電勢的抵消作用。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,算例屏蔽電動機屏蔽套溫升下降了13 ℃,其熱應力及熱膨脹也會隨著溫度的降低而減小。

雖然相對于傳統(tǒng)屏蔽電動機,新型屏蔽電動機軸向長度會略有增加,導致成本增加,但是可以控制在可接受的范圍內。電機的損耗降低,溫升下降,提高了電機的安全性,對核電用戶而言,屏蔽泵的安全性更為重要,也更具有工程實用價值。

由于屏蔽套中感應電勢隨氣隙磁場的旋轉而變化,屏蔽套是分布式導體,屏蔽套中渦流路徑不能人為規(guī)劃,導致感應電勢未能完全抵消,渦流損耗未能完全抑制。如何更高效地抑制屏蔽套感應電勢有待進一步深入研究,例如基于抵消感應渦流電勢的思想,探索新的結構,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。

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

時間:2014-04-25

10.7652/xjtuxb201406009

TM301

:A

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

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140425.0930.003.html