真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度場與屏蔽套應(yīng)力場分析*

安躍軍，殷福久，王光玉，孔祥玲，張　寧

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，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，沈陽 110179)

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真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度場與屏蔽套應(yīng)力場分析*

安躍軍1，殷福久1，王光玉2，孔祥玲2，張寧2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，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，沈陽 110179)

針對(duì)真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套出現(xiàn)變形、開裂和泄漏導(dǎo)致光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線真空度下降的工程問題，采用有限元分析法，對(duì)使用三種不銹鋼材質(zhì)屏蔽套的屏蔽電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場和熱應(yīng)力場進(jìn)行分析.結(jié)果表明：屏蔽套采用Hastelloy-C材質(zhì)時(shí)屏蔽套渦流損耗小，屏蔽電機(jī)各部件溫度均低于采用Sus316L材質(zhì)時(shí)的溫度；屏蔽套采用Sus430導(dǎo)磁材質(zhì)時(shí)屏蔽電動(dòng)機(jī)損耗最小，在降低溫升方面效果明顯.采用Hastelloy-C和Sus430材質(zhì)時(shí)，屏蔽套最大形變量比采用Sus316L時(shí)分別下降17%和19%，最大熱應(yīng)力分別降低12%和16%.因Sus430不銹鋼價(jià)格低廉，且有很好的防腐性能，所以Sus430不銹鋼比較適合真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī).

真空泵；屏蔽電動(dòng)機(jī)；渦流損耗；溫度場；熱應(yīng)力場；熱變形；熱應(yīng)力；不銹鋼屏蔽套

真空泵具有完全密封、抽速大、真空度高及可直排大氣等特點(diǎn)[1]，是營造光伏太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備.由于真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子間金屬屏蔽套在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生渦流損耗，進(jìn)而發(fā)熱引起屏蔽套溫升和熱變形，導(dǎo)致屏蔽套膨脹、起鼓甚至破裂和泄漏，影響太陽能光伏元器件的品質(zhì)和成品率，因此，探尋改進(jìn)方法和措施是亟待解決的實(shí)際工程難題[2].本文通過對(duì)使用三種不銹鋼材質(zhì)屏蔽套的屏蔽電動(dòng)機(jī)做空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn)，測量電機(jī)各部分損耗，并將其作為載荷添加到有限元軟件Ansys workbench中進(jìn)行電機(jī)溫升、熱形變和熱應(yīng)力的仿真分析.研究結(jié)果為提高真空泵的安全性和可靠性提供了借鑒[3-4].

1　真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度場分析

1.1屏蔽電動(dòng)機(jī)三維模型

采用有限元軟件Ansys workbench中穩(wěn)態(tài)溫度場模塊對(duì)樣機(jī)工作條件下的溫度場進(jìn)行求解.樣機(jī)為2極2.2 kW真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)，額定電壓380 V，額定工作頻率50 Hz，極限真空度0.5 Pa，機(jī)殼內(nèi)存在水冷系統(tǒng)，冷卻水溫度20℃.屏蔽電動(dòng)機(jī)三維模型如圖1所示.

圖1　真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)三維模型

1.2溫度場模型的數(shù)學(xué)描述

根據(jù)傳熱學(xué)理論，屏蔽電動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度場問題可用三維熱傳導(dǎo)方程[5]表示為

(1)

式中：t為溫度；q為熱源密度；c為比熱容；γ為密度；τ為時(shí)間；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；α為S2面的散熱系數(shù)；K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù)；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)定之后，式(1)第一項(xiàng)的右端變?yōu)?t/?τ=0，可得到求解三維穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型[6].

1.3溫度場載荷與邊界條件

通過對(duì)使用Sus316L、Hastelloy-C和Sus430三種不銹鋼材質(zhì)屏蔽套的屏蔽電動(dòng)機(jī)做空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn)測量電機(jī)各部分損耗，并將損耗作為熱負(fù)荷加載到溫度場模型中.屏蔽電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示.屏蔽套材料屬性及相關(guān)損耗數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2　真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

屏蔽套材料電阻率(Ω·cm)導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·℃-1)比熱容(J·kg-1·℃-1)屏蔽套損耗W定子銅耗W轉(zhuǎn)子鋁耗W鐵耗WSus316L7.5×10-51545012121814845Hastelloy-C12.5×10-5113859121014244Sus4306.0×10-52646011216911837

三種屏蔽套材料中，Sus316L是工程中常用不銹鋼材料；Hastelloy-C合金鋼在化工領(lǐng)域和高溫環(huán)境中被廣泛應(yīng)用；Sus430是專利“一種屏蔽套”技術(shù)中典型的導(dǎo)磁型不銹鋼.溫度場模型的邊界條件如下：

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)子處于真空環(huán)境中，不考慮熱輻射引起的熱量交換，認(rèn)為式(1)中S1絕熱邊界面為屏蔽套內(nèi)表面，S2散熱邊界面為螺旋水道表面.

2) 通過計(jì)算螺旋水道散熱系數(shù)，將水冷系統(tǒng)散熱能力等效為水道散熱系數(shù).在紊流狀態(tài)下流體受迫流動(dòng)準(zhǔn)則方程[7]為

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(2)

式中：Nu為怒賽爾特準(zhǔn)則，Nu=α0dwet/λ；Re為雷諾準(zhǔn)則，Re=μdwet/ν；Pr為普朗特準(zhǔn)則，Pr=ν/a，a=λ/ρcp；α0為散熱系數(shù)；dwet為水道當(dāng)量直徑；λ為流體熱導(dǎo)；μ為流體速度；ν為流體流動(dòng)粘度；ρ為流體密度；cp為流體比熱容.水道截面為15 mm×6 mm，冷卻水流速為1.5 m/s，計(jì)算得到水道散熱系數(shù)α=6 802 W·(m2·℃)-1.

3) 繞組端部表面散熱環(huán)境設(shè)置為停滯空氣.

1.4溫度場計(jì)算與結(jié)果分析

以Sus316L不銹鋼屏蔽套屏蔽電動(dòng)機(jī)為例，溫度場分析結(jié)果如圖3、4所示.

圖3　Sus316L屏蔽套屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度分布

圖4　Sus316L屏蔽套溫度分布

由圖3可以看出：屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度特征為由內(nèi)向外逐漸降低.由于屏蔽電動(dòng)機(jī)采用水冷冷卻方式，機(jī)殼溫度最低，平均溫度為33℃，仿真初始溫度為30℃.繞組端部處于靜止空氣中，散熱能力差，使得繞組端部溫度最高，達(dá)到了103℃.

由于導(dǎo)體本身具有阻抗，將屏蔽套渦流損耗轉(zhuǎn)化成了熱能[8]，因此屏蔽套熱源為與定子相對(duì)應(yīng)位置感應(yīng)出的渦流損耗.由圖4可以看出：屏蔽套上處于定子鐵芯邊緣和定子槽口對(duì)應(yīng)的區(qū)域散熱能力差，溫度較高，最高溫度約為56.4℃.屏蔽套中間與定子齒接觸部分，熱量除了通過屏蔽套自身向前后端蓋傳遞，還可以以熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)過定子鐵芯向機(jī)殼傳遞，因此溫度相對(duì)較低.圖5、6為Hastelloy-C屏蔽套和Sus430屏蔽套的溫度分布.

圖5　Hastelloy-C屏蔽套溫度分布

圖6　Sus430屏蔽套溫度分布

為對(duì)比Sus316L、Hastelloy-C和Sus430不銹鋼屏蔽套屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度分布，將分析結(jié)果整理為表2.

表2　各部件最高溫度

采用電阻法測量繞組溫升，測量結(jié)果為相繞組的平均溫升，實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為30℃.整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果如表3所示.

表3　繞組溫升測量結(jié)果

由表2、3可以看出：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相差不大，具有重要參考價(jià)值；電機(jī)轉(zhuǎn)子處于散熱能力較差的真空環(huán)境，轉(zhuǎn)子鼠籠和轉(zhuǎn)子鐵芯溫差較小；Hastelloy-C屏蔽套渦流損耗小，屏蔽套最高溫升較Sus316L屏蔽套低3℃，屏蔽電機(jī)各部件溫度均低于采用Sus316L屏蔽套時(shí)的溫度；采用Sus430導(dǎo)磁屏蔽套時(shí)屏蔽電動(dòng)機(jī)損耗最小，溫升最低.可見，Sus430屏蔽套在抑制電機(jī)溫升方面效果最好.

2　屏蔽套熱應(yīng)力仿真研究

由于不銹鋼熱脹冷縮的性質(zhì)，屏蔽套溫升必然造成膨脹形變以及膨脹帶來的應(yīng)力.在不受任何約束的情況下，物體形變量與溫升關(guān)系為

ΔL=α1L0(t1-t0)

(3)

式中：ΔL為物體膨脹量；α1為熱膨脹系數(shù)；L0為物體原長；t1為升高后的溫度；t0為初始溫度.

從式(3)中可以看出，在沒有約束的情況下，屏蔽套必定會(huì)受熱發(fā)生膨脹，但是真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)采用密封結(jié)構(gòu)，屏蔽套與定子鐵芯緊密接觸且兩端與端蓋焊接，屏蔽套熱膨脹形變受到抑制，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成屏蔽套的起鼓開裂，甚至泄漏.所以對(duì)于真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)屏蔽套的形變以及產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算變得十分重要[9].

2.1屏蔽套熱應(yīng)力數(shù)學(xué)描述

根據(jù)現(xiàn)行熱應(yīng)力理論，可將彈性力學(xué)中的胡克定律推廣到熱應(yīng)力問題上，得到屏蔽套熱應(yīng)力問題的有限元關(guān)系式[10]為

(4)

式中：εx、εy、εz為x、y、z方向上的應(yīng)變；σx、σy、σz為x、y、z方向上的正應(yīng)力；E為物體的彈性模量；μ0為泊松比；β為線性膨脹系數(shù).

2.2屏蔽套熱形變與熱應(yīng)力分析

為準(zhǔn)確描述屏蔽套的形變以及產(chǎn)生的熱應(yīng)力，將已達(dá)穩(wěn)態(tài)溫度場的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到應(yīng)力場中，用有限元軟件進(jìn)行仿真計(jì)算并進(jìn)行可視化展示.

應(yīng)力計(jì)算需要設(shè)置材料的密度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量及泊松比等物理參數(shù)，Sus316L、Sus430不銹鋼及Hastelloy-C合金鋼的相關(guān)物理屬性如表4所示.

表4　應(yīng)力場材料屬性

圖7、8為Sus316L屏蔽套的熱形變和熱應(yīng)力仿真圖.

圖7　Sus316L屏蔽套的熱形變

由圖7可以看出，受到端蓋和定子鐵芯的約束，屏蔽套兩端和中部部位形變量較小.由于冷卻水從電機(jī)前端蓋進(jìn)入螺旋水道，所以前端蓋較厚，對(duì)屏蔽套的約束大，造成屏蔽套前端蓋方向形變偏小.繞組端部對(duì)應(yīng)位置下的屏蔽套由于沒有徑向支撐形變量最高，達(dá)到0.036 mm.

由圖8可看出，受定子鐵芯的約束，屏蔽套中間區(qū)域膨脹受到抑制，使得屏蔽套與定子鐵芯邊緣接觸區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到205 MPa，在后端蓋焊接區(qū)域，屏蔽套膨脹造成的應(yīng)力最大，達(dá)到241 MPa.

圖8　Sus316L屏蔽套的熱應(yīng)力

圖9～12為Hastelloy-C合金鋼和Sus430不銹鋼屏蔽套的熱形變和熱應(yīng)力仿真圖.

圖9　Hastelloy-C屏蔽套的熱形變

圖10　Hastelloy-C屏蔽套的熱應(yīng)力

圖11　Sus430屏蔽套的熱形變

圖12　Sus430屏蔽套的熱應(yīng)力

Hastelloy-C合金鋼屏蔽套最大應(yīng)力同樣發(fā)生在與后端蓋焊接區(qū)域，最大應(yīng)力為212 MPa，屏蔽套與定子鐵芯邊緣接觸區(qū)域應(yīng)力達(dá)到202 MPa；Sus430屏蔽套與后端蓋焊接區(qū)域最大應(yīng)力為203 MPa，與定子鐵芯邊緣接觸區(qū)域應(yīng)力達(dá)到189 MPa.

三種材料屏蔽套的最大熱應(yīng)力與熱形變量對(duì)比結(jié)果如表5所示.

表5　屏蔽套熱形變和熱應(yīng)力對(duì)比

Hastelloy-C合金鋼和Sus430不銹鋼屏蔽套最大形變量比Sus316L不銹鋼屏蔽套分別下降17%和19%，最大熱應(yīng)力分別降低12%和16%.采用Hastelloy-C合金鋼屏蔽套和Sus430不銹鋼屏蔽套均有益于提高真空泵運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性.通過表4、5可知，三種材料屏蔽套穩(wěn)態(tài)時(shí)最大熱應(yīng)力均未超過材料屈服強(qiáng)度，其中Hastelloy-C合金鋼屏蔽套因材料力學(xué)性能較好，安全余量大，但是Hastelloy-C合金鋼價(jià)格較貴，會(huì)降低其競爭力.Sus430不銹鋼屏蔽套最大熱形變量與熱應(yīng)力最小，且電機(jī)損耗小，效率高，有利于節(jié)約能源，因此，Sus430不銹鋼屏蔽套更適合真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī).

3　結(jié)　論

本文通過實(shí)驗(yàn)測得Sus316L、Hastelloy-C和Sus430三種材料屏蔽套屏蔽電動(dòng)機(jī)的各部件損耗，利用有限元軟件Ansys workbench分析了屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度場與應(yīng)力場，得出了真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)溫度、熱形變、熱應(yīng)力分布特性.屏蔽電動(dòng)機(jī)采用機(jī)殼水冷冷卻方式，溫度特征為沿徑向由內(nèi)向外逐漸降低，繞組溫度最高，機(jī)殼溫度最低.屏蔽套上處于定子鐵芯邊緣處和定子槽口對(duì)應(yīng)區(qū)域散熱能力差，溫度較高.Hastelloy-C屏蔽套損耗小，屏蔽套最高溫升較Sus316L屏蔽套低3℃，其他部件溫度均低于Sus316L屏蔽套屏蔽電動(dòng)機(jī).采用Sus430導(dǎo)磁型屏蔽套的屏蔽電動(dòng)機(jī)損耗最小，各部件溫度均為最低，可見，Sus430屏蔽套在抑制電機(jī)溫升方面效果最好.

采用Hastelloy-C合金鋼屏蔽套和Sus430不銹鋼屏蔽套均有益于提高真空泵運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，但是Hastelloy-C合金鋼材料價(jià)格較貴，電機(jī)制造成本高.Sus430不銹鋼屏蔽套屏蔽電動(dòng)機(jī)損耗小，效率高，在節(jié)約能源方面效果顯著；此外，Sus430不銹鋼價(jià)格低廉，且有很好的防腐性能，因此，Sus430不銹鋼屏蔽套比較適合真空泵屏蔽電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn).

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Analysis for temperature field and can stress field of vacuum pump canned motor

AN Yue-jun1,YIN Fu-jiu1,WANG Guang-yu2,KONG Xiang-ling2,ZHANG Ning2

(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 110179,China)

To solve the engineering problems such as the vacuum degree decline in photovoltaic industry production line caused by the deformation,cracking and leakage in the can of vacuum pump canned motor,the steady temperature field and thermal stress field of vacuum pump canned motor with three stainless steel cans were analyzed with the finite element analysis method.The results show that the Hastelloy-C can exhibits small eddy current loss,and the temperature of various components of canned motor is lower than that of canned motor with Sus316L can.The canned motor with the can made by Sus430 permeability material has the minimum loss,and shows obvious effect in the aspect of reducing temperature rise.Compared with the Sus316L can,the maximum thermal deformation of both Hastelloy-C can and Sus430 can decrease by 17% and 19%,respectively.Meanwhile,the maximum thermal stress decreases by 12% and 16%,respectively.Due to the low price and good anticorrosion performance,the Sus430 stainless steel is suitable for the vacuum pump canned motor.

vacuum pump; canned motor; eddy current loss; temperature field; thermal stress field; thermal deformation; thermal stress; stainless steel can

2015-11-25.

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金資助(2013YQ240421).

安躍軍(1962-)，男，吉林長春人，教授，博士，主要從事特種電機(jī)及其控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.01

TM 301

A

1000-1646(2016)02-0121-06

*本文已于2016-03-02 16∶48在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.050.html

電氣工程