潛油電動機隔磁段電磁-熱-力耦合特性研究

徐永明 蔣治國 艾萌萌

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 哈爾濱 150080)

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潛油電動機隔磁段電磁-熱-力耦合特性研究

徐永明 蔣治國 艾萌萌

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 哈爾濱 150080)

針對潛油電動機分段處多物理場耦合的問題，通過研究其電磁-熱-力耦合特性，確定隔磁段和扶正軸承的大小對電動機渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律。建立隔磁段及扶正軸承材料的電磁-熱-力耦合特性模型，研究不同金屬或合金材料的導電特性、導熱特性和力學特性耦合作用機理，探究受力約束條件下隔磁段和扶正軸承大小對電動機渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律。采用實驗對比的方式證明了計算方法和結果的準確性，為研究高性能潛油電動機奠定理論基礎。

潛油電動機 漏抗 渦流損耗 耦合傳熱 受力分布

0 引言

潛油電動機立式工作，結構細長，定轉子分段，對應的定子位置為非導磁性材料制成的隔磁段連接，轉子位置為扶正軸承，可實現(xiàn)多點支撐的作用。

我國對潛油電動機的研究已取得很多成果，尤其是潛油電動機電磁參數(shù)的計算已較為精確[1]。目前已設計出專門針對潛油電動機的電磁計算軟件[2]。文獻[3-6]對潛油電動機內部的溫度場計算做了大量工作。文獻[7]對潛油電動機軸的受力以及多點支撐問題進行了研究，使之能夠保證電動機可靠運行。但這些研究都是在各自獨立的領域取得成果，綜合到同一電動機中，其電磁、傳熱及受力之間是相互影響、彼此制約的，電動機處于一個復雜的耦合場中。目前對潛油電動機的電磁-熱-力的耦合特性研究還未見報道。

電動機運行中，分段處結構處于復雜的電磁環(huán)境中，隔磁段內的磁場儲能導致漏抗和扶正軸承中的渦流損耗對電動機性能參數(shù)產(chǎn)生影響，且該結構又對電動機的溫度分布及受力支撐等產(chǎn)生影響，因而對潛油電動機分段處材料的電磁-熱-力耦合行為進行研究，結合材料建立導電特性、導熱特性和力學特性的耦合研究模型，獲取分段處大小對電動機渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律；研究不同金屬或合金材料的導電特性、導熱特性和力學特性耦合作用機理，探究受力約束條件下隔磁段和扶正軸承大小對電動機渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律。所得研究成果對提高電動機的性能具有重要意義。

1 電磁-熱-力耦合特性研究模型

1.1 模型研究

根據(jù)文獻[8-10]，運用能量法對分段處建立三維有限元模型，首先求出隔磁段內的磁場儲能，再通過求解渦流場得到扶正軸承損耗。

關于溫度場的計算，在區(qū)域Ω內的穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學模型可表述為邊值問題，相應的泛函為

(1)

式中：λx、λy、λz為沿x、y、z方向的導熱系數(shù)；T為節(jié)點溫度矢量；α為根據(jù)轉矩性質而定的折合系數(shù)；q為熱流密度；S8～S9為第三類邊界面。當泛函I(T)達到極值時，離散化后可得到三維溫度場的有限元方程KT=F，其中K為傳導矩陣，包含導熱系數(shù)及對流系數(shù)；F為節(jié)點溫度載荷。

危險截面計算應力為

(2)

式中：Mca為當量彎矩；d為危險截面直徑，mm，此處危險截面為扶正軸承處；[σ-1]為許用彎曲應力[11]。

1.2 物理模型

本文以一臺YQY114P-31W潛油電動機為例，對其進行分析計算，具體參數(shù)如表1所示。

為保證計算準確且不增加計算量，考慮分段處結構情況，對一段電動機的部分鐵心及半個扶正軸承建模，如圖1所示。由于潛油電動機分段處處于復雜的電磁環(huán)境中，導致這部分產(chǎn)生漏抗和損耗，同時由于損耗，導致分段處的溫度升高，受力情況也趨于復雜。所以為了更好地研究分段處電磁-熱-力的耦合關系，本文采用同一個模型實現(xiàn)對電磁、溫度和受力的分析計算。

表1 潛油電動機基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of submersible motor

1—定子繞組；2—轉子鐵心；3—籠型條；4—定子鐵心；5—扶正軸承；6—轉軸；7—隔磁段；8—電動機殼圖1 潛油電動機分段處三維物理模型Fig.1 Three-dimensional physical model of the submersible motor segment

2 實例計算

2.1 電磁計算

對樣機建立三維有限元模型，并分析求解后，得出的扶正軸承的渦流損耗和隔磁段的磁場儲能如圖2所示。根據(jù)圖2所得結果計算總渦流損耗和隔磁段漏抗(該電動機共有9個這樣的扶正軸承和隔磁段)。表2列出了當扶正軸承由不同材料制成時總的渦流損耗、隔磁段磁場儲能及隔磁段漏抗(9個)。表3列出了樣機定子各部分漏抗的標幺值及所占總漏抗的百分比。

圖2 扶正軸承渦流損耗圖及隔磁段磁場儲能圖Fig.2 Eddy current losses of rotor bearing and field energy storage of magnetic isolated segment figure

表2 樣機電磁參數(shù)Tab.2 Prototype electromagnetic parameters

表3 樣機定子漏抗標幺值Tab.3 Per unit of prototype stator leakage reactance of prototype

由上述結果可知，扶正軸承中的渦流損耗很小，即使是渦流損耗最大的40Cr，也僅產(chǎn)生153.91 W的損耗，相比潛油電動機中其他損耗來說幾乎可忽略，不會對電動機造成太大影響。

根據(jù)文獻[12]中的方法進行實驗驗證，將兩臺電動機所測結果進行對比分析，得出分段處對電動機參數(shù)的影響，結果較為準確。

2.2 溫度場傳熱計算

由于在電動機運行中鐵心損耗、定子銅耗、轉子銅耗、各種機械摩擦損耗以及扶正軸承中渦流損耗的存在，導致電動機內部發(fā)熱嚴重，為了更好地探究潛油電動機內部發(fā)熱和傳熱機理，采用流固耦合傳熱計算以及仿真與實驗相對比的方法進行驗證。

2.2.1 基本假設

1)機械損耗全部集中在轉子外表面，忽略轉子鐵心損耗，計算電動機穩(wěn)態(tài)時的三維溫度場。

2)原油井液溫度為90℃，在離心泵的作用下，以0.3 m/s的速度自下向上流動。

3)井液全部為原油，計算井液的雷諾數(shù)，判斷其做湍流運動。

2.2.2 計算結果

由電磁計算得出電動機的定子鐵心損耗、定子銅損耗、轉子銅損耗以及扶正軸承渦流損耗。潛油電動機的機械損耗主要包括3部分：潤滑油與定轉子的摩擦損耗、扶正軸承的摩擦損耗、止推軸承動靜塊的摩擦損耗。在溫度場的計算中只考慮起主要作用的定轉子的摩擦損耗對溫度的影響[13]。

電動機的損耗值和生熱率在表4中列出，將計算出的損耗轉換成各部分的生熱率，賦給電動機相應的部位充當熱源。

表4 損耗值與生熱率Tab.4 Loss of value and heat generation rate

扶正軸承溫度如圖3所示。由圖可知，電動機徑向溫度變化很大，軸向溫度變化不大，這主要是由于機殼外面的原油井液起到了降溫作用，帶走了大量熱量，而電動機氣隙及轉軸內腔的油路循環(huán)系統(tǒng)在軸向上起到了轉子向定子傳熱、促進電動機軸向溫度均衡的作用，減小了軸向溫度梯度。

電動機溫度最高處位于轉子部分，最高溫度約為129℃，其中扶正軸承的最高溫度約為128℃，可知扶正軸承的工作溫度很高。

圖3 扶正軸承的溫升圖Fig.3 Temperature figure of rotor bearing

2.2.3 實驗對比

考慮到工藝以及潛油電動機的主要發(fā)熱部位，選擇在電動機尾部以及定子槽的內部和外部各埋入一根直徑為2 mm的T型熱電偶，并對埋置點進行編號，將已編號的熱電偶補償線依次連接到溫度測試儀上。為了模擬潛油電動機的實際情況，實驗采用加溫裝置對電動機外圍循環(huán)流體進行加熱處理，使其達到模擬環(huán)境溫度為90℃井液的目的，并調整流速為0.3 m/s。

起動水循環(huán)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，待水溫以及電動機溫度穩(wěn)定后，調整測功機使?jié)撚碗妱訖C額定負載運行，測試電動機的溫度，每10 min記錄1次。將穩(wěn)定后的各測溫點溫度的平均值得出的溫升記錄在表5中。

表5 額定運行時各點溫度測試結果Tab.5 The test results for each point temperature rated operation

將計算所得溫度與實驗所得溫度進行對比，所得結果記錄在表6中?？煽闯觯咚媒Y果基本相符，相對誤差在允許范圍內。該電動機的絕緣等級為H級，由圖3可知各部分的溫度都在極限溫度以下，且除鈦合金定子溫升較高外，其他幾種材料基本接近。

表6 電動機內部最高溫度相對誤差Tab.6 Relative error of the maximum temperature inside the motor

另外，仿真值與測試值在數(shù)值上有一定差距，原因是所采用的循環(huán)流體是水，而不是原油，這導致電動機的散熱性能提高，電動機溫升變小。

上述仿真結果可直觀地反應出電動機內部各部分的溫升情況，由于不同材料在不同溫度下的強度不同，所以利用上述溫度場的仿真結果結合各材料在相應溫度下的強度值對扶正軸承進行強度仿真，驗證相應溫度下該材料的強度是否能實現(xiàn)多點支撐，保證電動機可靠運行。

2.3 強度計算

由于潛油電動機分段處主要起到多點支撐的作用，且轉子掃鏜是潛油電動機的主要故障之一，所以為保證電動機可靠運行，對其進行強度計算。

2.3.1 基本假設

潛油電動機立式工作，整個轉子重力作用于止推軸承上，扶正軸承起到多點支撐及防止掃膛的作用。就電動機分段處局部建模研究受力時，扶正軸承除支撐作用外，還承受單節(jié)電動機轉子的重力作用。為簡化計算，做如下假設：

1)假設位于扶正軸承上端且與扶正軸承相連接的那段轉子重力都集中分布在扶正軸承上。

2)忽略扶正軸承與端環(huán)及導條之間互感的影響。

2.3.2 計算結果

采用同一模型為求解區(qū)域，針對不同材料，對其溫度場與結構靜力進行耦合分析，得出扶正軸承在高溫條件下的形變圖如圖4所示，應力分布圖如圖5所示。核算電動機在額定運行時是否超出了材料的許用應力[14]。

圖4 扶正軸承的形變圖Fig.4 Deformation distribution of rotor bearing

圖5 扶正軸承的應力分布圖Fig.5 Stress distribution of rotor bearing

各種材料所受應力列在表7中。由表可知，潛油電動機在工作溫度情況下扶正軸承上的應力均小于材料的強度極限值。但材料的許用應力安全系數(shù)一般在1.5～2.0之內，鎳鐵合金和鋁合金所受應力接近極限值，所以不符合材料的安全條件；鈦合金所受應力遠小于安全系數(shù)范圍，處于絕對安全位置；40Cr所受應力的安全系數(shù)為1.69，在安全系數(shù)范圍內，所以適合制作扶正軸承，不會影響電動機正常工作。

表7 各種材料所受應力Tab.7 The stress of various materials

根據(jù)表8列出的計算結果可看出，上述材料的形變量都較小，均可滿足電動機的可靠運行。綜合強度計算所得結果，可知對于長期工作的潛油電動機，40Cr能更好地實現(xiàn)多點支撐的目的。

表8 扶正軸承軸向形變Tab.8 Rotor bearing axial deformation

3 分段處尺寸變化對電動機耦合特性的影響

圖6 潛油電動機單段定子隔磁段漏抗曲線Fig.6 Single-stage stator magnetic isolated segment of submersible motor leakage reactance curve

圖6～圖8分別為潛油電動機單段定子隔磁段漏抗曲線、受力曲線和溫度曲線。由圖6可知，潛油電動機隔磁段漏抗隨隔磁段軸向長度的加長而變大，但由圖7可知，如果隔磁段軸向太窄，扶正軸承無法承受多點支撐所需的機械強度。同時由圖8可知，隔磁段軸向長度的大小對溫度影響不大，因為扶正軸承中的渦流損耗很小，產(chǎn)生的熱量很少。相比轉子及導條這些發(fā)熱較多的部位，扶正軸承對電動機整體的溫升影響不大。對于大功率潛油電動機，設計時一定要充分考慮隔磁段軸向寬度的問題。

圖7 潛油電動機單段定子隔磁段受力曲線Fig.7 Single-stage stator magnetic isolated segment of submersible motor force curve

圖8 潛油電動機單段定子隔磁段溫度曲線Fig.8 Single-stage stator magnetic isolated segment of submersible motor temperature curve

4 結論

1)由溫度場計算結果可知，電動機各部分溫度均勻，連發(fā)熱最嚴重的導條的溫度也在電動機絕緣等級H級的固定極限溫度以下，電動機可穩(wěn)定運行。可進一步優(yōu)化負載電荷，使定子軛部磁通密度升高，轉子齒部磁通密度下降，這樣可有效調整電動機內部溫度。

2)由機械強度的計算結果可知，扶正軸承處受力較大，對材料機械性能要求較高，考慮到潛油電動機工作的長期性以及材料的疲勞極限，采用40Cr能更好地實現(xiàn)扶正軸承多點支撐的目的，保證電動機的穩(wěn)定運行。

3)由40Cr制成扶正軸承時，渦流損耗相對較小，傳熱好，無過熱點，且應力分布均勻，可實現(xiàn)潛油電動機多點支撐的目的，相比本文提到的其他材料優(yōu)勢明顯，更適合做成扶正軸承。

4)潛油電動機隔磁段軸向寬度對電動機性能影響較大，設計時一定要充分考慮漏抗及機械強度等各方面因素，從而選擇合理的隔磁段寬度。求解得到潛油電動機端部漏抗曲線族，可在今后的潛油電動機設計中插值使用。

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Coupling Characteristics Research on Electromagnetism and Temperature and Force of the Magnetic Isolated Segment in the Submersible Motor

XuYongmingJiangZhiguoAiMengmeng

(Electrical and Electronic Engineering College Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China)

For the multi-physics field coupling problem in the segment of the submersible motor，the influence law of the magnetic isolated segment and the stabilizing bearing size on the eddy loss，the heat transfer，and the temperature distribution is discussed by studying the coupling characteristics of electromagnetic-thermal-force.The coupling mechanism among mechanical properties，electrical conductivity，and thermal conductivity properties of different metals or alloys are researched by establishing a coupling model of electromagnetic-force-thermal for both the magnetic isolated segment and the stabilizing bearing.The influence laws of the magnetic isolated segment and the stabilizing bearing size on the eddy loss，the heat transfer，and the temperature distribution under the condition of stress constraints are explored.The accuracy of the calculation method is proved by comparing with the experimental results.The suggested method provides the theoretical basis for studying other high-performance submersible motors.

Submersible motors，leakage reactance，eddy current loss，coupled heat transfer，stress distribution

國家自然科學基金(51207036)和教育部博士點基金(20122303120002)資助項目。

2014-12-01 改稿日期2015-05-28

TM301.4

徐永明 男，1979年生，教授，碩士生導師，研究方向為特種電動機及變壓器。(通信作者)

蔣治國 男，1989年生，碩士，研究方向為特種電動機。