高速屏蔽電機(jī)渦流與水摩損耗試驗(yàn)

程 誠(chéng)，王浩明，李小芳，林慶國(guó)

(上?？臻g推進(jìn)研究所 上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

近年來(lái)，隨著高能電池、高速電機(jī)和總體電控集成等技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)泵增壓供應(yīng)技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用被高度重視并得到研究[1-4]。典型代表是，美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司(Rocket Lab)電子號(hào)小型運(yùn)載火箭(Electron)的一級(jí)和二級(jí)上使用的電動(dòng)泵壓式盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)(Rutherford Engine)，已助力Electron火箭完成了3次商業(yè)發(fā)射，成為全球首個(gè)投入使用的電動(dòng)泵發(fā)動(dòng)機(jī)。電動(dòng)屏蔽泵的電機(jī)與泵同軸連接，處于一個(gè)壓力容腔內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，取消了動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，并采用傳送介質(zhì)進(jìn)行軸承潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻，廣泛應(yīng)用于石油化工、核電和航天領(lǐng)域[5-6]，尤其是在輸送易燃易爆、腐蝕性或者有毒介質(zhì)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此成為電動(dòng)泵發(fā)動(dòng)機(jī)的首選方案[7]。

值得注意的是，電動(dòng)屏蔽泵因定子屏蔽套在電機(jī)工作時(shí)會(huì)生成感應(yīng)渦流，從而造成較大的渦流損耗；同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在介質(zhì)中轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)造成較大的水摩損耗。因此，屏蔽電機(jī)的運(yùn)行效率往往低于常規(guī)電機(jī)。對(duì)于渦流和水摩這兩項(xiàng)損耗，研究人員主要通過(guò)解析法、有限元法以及試驗(yàn)等手段進(jìn)行研究。其中，渦流損耗的分析研究主要包括：建立數(shù)學(xué)模型提出理論解析解[8]，基于有限元方法進(jìn)行不同屏蔽套材料以及氣隙結(jié)構(gòu)影響分析[9-11]，試驗(yàn)測(cè)量[12-13]等；水摩損耗的研究較少，主要是基于圓柱表面摩擦理論并結(jié)合有限元方法進(jìn)行仿真分析，以此提出了相應(yīng)的理論或半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[14-16]。

目前成熟應(yīng)用的屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)7 500 r/min，隨著屏蔽電機(jī)往高速化、小型化方向發(fā)展，在轉(zhuǎn)速不斷提高以及電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊等情況下，現(xiàn)有的電機(jī)損耗經(jīng)驗(yàn)公式是否適用存在較大疑問(wèn)。尤其是，按照目前的理論，屏蔽電機(jī)的渦流損耗和水摩損耗隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而大幅增大，特別是在10 000 r/min以上的高轉(zhuǎn)速工況下，這兩項(xiàng)損耗尤其突出。因此，研究高速屏蔽電機(jī)的渦流損耗和水摩損耗對(duì)優(yōu)化屏蔽電機(jī)設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步提高電機(jī)效率具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率7.5 kW、額定轉(zhuǎn)速15 000 r/min的高速屏蔽電機(jī)，通過(guò)搭建的測(cè)試平臺(tái)對(duì)屏蔽電機(jī)的渦流損耗和水摩損耗進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并對(duì)減小高速屏蔽電機(jī)損耗、提高電機(jī)運(yùn)行效率提出了建議。

1 高速屏蔽電機(jī)

1.1 試驗(yàn)電機(jī)

為了研究高速屏蔽電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的渦流損耗和水摩損耗，設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率7.5 kW、額定轉(zhuǎn)速15 000 r/min的高速屏蔽電機(jī)，如圖1所示。試驗(yàn)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、定子屏蔽套、轉(zhuǎn)子屏蔽套、角接觸陶瓷球軸承和電機(jī)殼體構(gòu)成，定子采用超薄硅鋼鐵心材料、低諧波繞組方案，轉(zhuǎn)子采用耐高溫釤鈷永磁體、兩對(duì)極表貼方案，定/轉(zhuǎn)子屏蔽套均采用304不銹鋼材料(電阻率73 μΩ·m)。高速屏蔽電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)高速屏蔽電機(jī)主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

Tab.1Main structure and performance parametersof the test high-speed shielded motor

參數(shù)/單位數(shù)值定子鐵心長(zhǎng)度/mm100.00定子內(nèi)徑/mm49.60轉(zhuǎn)子屏蔽套長(zhǎng)度/mm110.00轉(zhuǎn)子外徑/mm47.80定子屏蔽套厚度/mm0.90氣隙磁密/T1.21額定功率/kW7.50額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)15 000.00

1.2 電機(jī)渦流損耗

屏蔽電機(jī)的定子屏蔽套在空間上是固定的，受到氣隙旋轉(zhuǎn)磁通的切割而產(chǎn)生損耗，由于屏蔽套采用非磁性材料，因此損耗中僅包含渦流損耗而沒(méi)有磁滯損耗。轉(zhuǎn)子屏蔽套隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)磁通對(duì)其切割的頻率很低，由磁通切割引起的渦流損耗可以忽略不計(jì)。渦流損耗[13-14,17-19]

K=1/(1.8+τ/L1)

(1)

K=0.8～0.9

(2)

(3)

k1=0.8～0.9,kp=1/(2c)

(4)

式中：Bg為氣隙磁密，T；n為轉(zhuǎn)速，r/min；δ為屏蔽套厚度，cm，L1為定子鐵心長(zhǎng)度，cm；D1為定子內(nèi)徑，cm；ρ為屏蔽套材料電阻率，Ω·cm；τ為極距；c為極對(duì)數(shù)。不同計(jì)算公式的形式基本相同，主要差異在于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取。

1.3 電機(jī)水摩損耗

屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件完全浸沒(méi)在冷卻介質(zhì)中(如圖1(a)所示)，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很高，摩擦面積大，所以其摩擦損耗相當(dāng)可觀。屏蔽電機(jī)的水摩損耗(Pe)包括轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)摩擦損耗、軸承損耗及其他機(jī)械損耗，常用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[13]

k=1.15(水)

(5)

式中；L2為轉(zhuǎn)子屏蔽套長(zhǎng)度，cm；D2為轉(zhuǎn)子外徑，cm；n為轉(zhuǎn)速，r/min。式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選擇僅考慮了介質(zhì)種類的影響，沒(méi)有體現(xiàn)冷卻介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)造成的影響。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

高速屏蔽電機(jī)濕式空載試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括試驗(yàn)電機(jī)、智能驅(qū)動(dòng)控制器、高速電機(jī)安裝平臺(tái)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、高速電機(jī)三相電參數(shù)測(cè)試儀和智能單回路測(cè)試儀等。為了扣除電機(jī)常規(guī)損耗對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了2臺(tái)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全相同的高速屏蔽電機(jī)和高速電機(jī)，兩者唯一的區(qū)別在于有、無(wú)定子屏蔽套。智能驅(qū)動(dòng)控制器選用蘇州匯川技術(shù)有限公司MD500ET30G-HP產(chǎn)品，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的輸出頻率來(lái)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；高速電機(jī)三相電參數(shù)測(cè)試儀選用青島青智8962C2產(chǎn)品，能夠采集電機(jī)工作時(shí)的電壓、電流、有功功率、功率因素等參數(shù)；智能單回路測(cè)試儀主要用于采集冷卻水溫度和電機(jī)振動(dòng)頻率等參數(shù)。

圖2 高速屏蔽電機(jī)濕式空載試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system of high-speed shielded motor in wet and no-load condition

為將渦流損耗和水摩損耗從屏蔽電機(jī)的各項(xiàng)損耗中區(qū)分開(kāi)來(lái)，將試驗(yàn)電機(jī)總損耗分成3部分：①常規(guī)損耗，包括鐵損、銅損、機(jī)械損耗及雜散損耗等；②定子屏蔽套渦流損耗；③水摩損耗。因此，通過(guò)對(duì)電機(jī)是否有定子屏蔽套和是否注水的不同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以得到各項(xiàng)損耗的數(shù)值。本文主要的試驗(yàn)內(nèi)容包括：無(wú)定子屏蔽套電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的損耗測(cè)量，得到常規(guī)損耗，計(jì)為P1；屏蔽電機(jī)不注水情況下(干式)的損耗測(cè)量，得到電機(jī)損耗P2；屏蔽電機(jī)注水情況下(濕式)的損耗測(cè)量，得到電機(jī)損耗P3。由此，可以計(jì)算得到高速屏蔽電機(jī)的定子屏蔽套渦流損耗Pw和水摩損耗Pe

(6)

3 結(jié)果與分析

無(wú)定子屏蔽套電機(jī)以及屏蔽電機(jī)在干式和濕式條件下的電機(jī)損耗測(cè)量結(jié)果如表2所示(濕式工況的冷卻水流量為120 g/s)。從表中數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，高速電機(jī)無(wú)定子屏蔽套時(shí)，測(cè)得額定轉(zhuǎn)速15 000 r/min下的電機(jī)效率為約96.7%。屏蔽電機(jī)渦流損耗和水摩損耗均隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而增大，低轉(zhuǎn)速情況下，常規(guī)損耗占主導(dǎo)(占比約56%)；高轉(zhuǎn)速情況下，渦流損耗和水摩損耗逐漸成為主導(dǎo)，兩項(xiàng)損耗占總損耗的90%以上，如圖3所示。

表2 高速屏蔽電機(jī)損耗測(cè)量結(jié)果

圖3 不同轉(zhuǎn)速下高速屏蔽電機(jī)各部分損耗占比Fig.3 Loss ratio of each part of the test high-speed shielded motor at different rotational speeds

圖4和圖5分別給出了高速屏蔽電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的渦流損耗和水摩損耗試驗(yàn)測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯?，定子屏蔽套的渦流損耗隨著屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于12 000 r/min時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果在經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)范圍內(nèi)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加時(shí)，公式預(yù)測(cè)值偏大，可見(jiàn)已有的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在高轉(zhuǎn)速條件下已經(jīng)不再適用。

屏蔽電機(jī)的水摩損耗同樣隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)趨勢(shì)一致。試驗(yàn)值和公式計(jì)算結(jié)果存在一定差異，主要原因是經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法準(zhǔn)確描述電機(jī)轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)。除電磁氣隙外，轉(zhuǎn)子兩端軸承及前后過(guò)渡段同樣存在水摩損耗，因此試驗(yàn)值比公式計(jì)算結(jié)果偏大。在高轉(zhuǎn)速情況下，電磁氣隙處的水摩損耗占總水摩損耗的比例變大，此時(shí)試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果比較接近。

圖4 渦流損耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.4 Relationship between eddy current loss and rotational speed

圖5 水摩損耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.5 Relationship between water friction loss and rotational speed

圖6給出了不同轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)工況下電機(jī)效率的變化曲線。從圖中可以看到，高速屏蔽電機(jī)在無(wú)定子屏蔽套的情況下，額定轉(zhuǎn)速15 000 r/min時(shí)電機(jī)效率在96%以上；安裝定子屏蔽套后，由于渦流損失，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的效率降至約81%；在進(jìn)行濕式試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗(yàn)介質(zhì)的摩擦損耗導(dǎo)致額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)效率進(jìn)一步降至約72%。由此可見(jiàn)，屏蔽電機(jī)的渦流損耗和水摩損耗對(duì)電機(jī)效率影響較大，即使對(duì)于電磁設(shè)計(jì)較好的高速電機(jī)，這兩項(xiàng)損失仍然會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能出現(xiàn)較大幅度的下降。

圖6 屏蔽電機(jī)效率隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.6 Relationship between shielded motor efficiency and rotational speed

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率7.5 kW、額定轉(zhuǎn)速15 000 r/min的高速屏蔽電機(jī)，通過(guò)搭建屏蔽電機(jī)濕式空載試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的渦流損耗和水摩損耗進(jìn)行了試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于定子屏蔽套的渦流損耗和轉(zhuǎn)子與冷卻介質(zhì)間的水摩損耗對(duì)屏蔽電機(jī)的效率影響較大，即使電磁設(shè)計(jì)較優(yōu)的高速電機(jī)在加入屏蔽套后效率仍然下降約20%～30%。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與電機(jī)損耗計(jì)算公式對(duì)比可見(jiàn)，目前的損耗預(yù)估公式都屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，參數(shù)的選取直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；為進(jìn)一步提高高速屏蔽電機(jī)的運(yùn)行效率，仍然需要從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：①減小定子屏蔽套厚度；②選用高電阻率的屏蔽套材料；③較小的轉(zhuǎn)子直徑；④減小電磁氣隙長(zhǎng)度。