充油條件對(duì)深海永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的影響

年 少，朱 莉，羅 響，趙繼敏

(上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

深海中的環(huán)境壓強(qiáng)隨深度增加而增大，當(dāng)深度達(dá)到11 000 m時(shí)，環(huán)境壓強(qiáng)可達(dá)到110 MPa?？辈烊有蜕詈Ｗ鳂I(yè)設(shè)備通常使用電力推進(jìn)器提供動(dòng)力，由于作業(yè)環(huán)境的特殊性，電力推進(jìn)器電機(jī)一般采用內(nèi)部充油的方式平衡電機(jī)內(nèi)外壓力，以降低對(duì)電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的要求。在電機(jī)制造時(shí)，動(dòng)密封裝置通常安裝在電機(jī)輸出軸上，以防止電機(jī)內(nèi)部油的泄露及外部海水的滲透。深海充油電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法基本相同[1]。而在機(jī)械方面，除充油及密封結(jié)構(gòu)外，充油電機(jī)顯著的特征是氣隙內(nèi)充油會(huì)帶來額外機(jī)械損耗——油摩損耗，高壓條件下的油粘度將大大增大，由此帶來的油摩損耗非常明顯，不可忽略。油摩損耗作為機(jī)械損耗的主要組成部分，是深海電機(jī)設(shè)計(jì)中不得不考慮的一個(gè)方面。電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、氣隙形狀及外部環(huán)境如壓強(qiáng)、溫度都會(huì)對(duì)油摩損耗產(chǎn)生影響[2-5]，深海中環(huán)境溫度常年保持在2 ℃～4 ℃，有利于電機(jī)的散熱，因此本文的研究前提是電機(jī)處于恒溫及良好散熱條件下。

目前,已有一定文獻(xiàn)對(duì)充油電機(jī)內(nèi)部油摩損耗進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]給出油摩損耗與摩擦系數(shù)的關(guān)系并通過流體力學(xué)(CFD)的方法計(jì)算出摩擦系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算油摩損耗。文獻(xiàn)[3-4]中作者通過CFD方法計(jì)算了將氣隙等效為同心旋轉(zhuǎn)圓筒時(shí)的油摩損耗以及考慮定子開槽情況下的油摩損耗，并討論了溫度對(duì)油摩損耗的影響。文獻(xiàn)[5]分析了氣隙以及轉(zhuǎn)子端部區(qū)域的流場(chǎng)，驗(yàn)證了一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)層流計(jì)算公式的正確性。文獻(xiàn)[6]研究了轉(zhuǎn)子內(nèi)壁光滑時(shí)，電機(jī)尺寸參數(shù)及環(huán)境溫度對(duì)油摩損耗的影響。文獻(xiàn)[7]中作者重點(diǎn)分析了轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)的非均勻氣隙的油摩損耗計(jì)算。文獻(xiàn)[8-9]分別詳細(xì)研究了電機(jī)空載鐵耗、銅耗等計(jì)算理論，對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)的損耗計(jì)算具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)油摩損耗的分析大都為常壓下的分析，而壓強(qiáng)變化對(duì)油摩損耗的影響，此類研究分析都較少，其中對(duì)變壓器油關(guān)鍵參數(shù)——粘壓系數(shù)的選取大都是基于經(jīng)驗(yàn)選取，計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際有一定差距。本文具體分析了變壓器油隨壓強(qiáng)變化的粘壓特性，給出了較為準(zhǔn)確的高壓條件下油摩損耗計(jì)算方法。以一臺(tái)全海深永磁同步電機(jī)為例，采用近似解析及數(shù)值方法完成油摩損耗的理論及仿真計(jì)算，通過增加對(duì)照實(shí)驗(yàn)，擬合實(shí)驗(yàn)用變壓器油的粘壓特性曲線，進(jìn)而完成高壓情況下的電機(jī)油摩損耗分析。

1 油摩損耗的解析計(jì)算

1.1 非均勻氣隙下油摩損耗的解析計(jì)算

對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，當(dāng)電機(jī)內(nèi)部未充油時(shí)，電機(jī)的機(jī)械損耗可分為風(fēng)摩損耗和軸承摩擦損耗。電機(jī)軸承通常采用滾珠軸承，一般軸承損耗可忽略不計(jì)。風(fēng)摩損耗與氣隙形狀相關(guān)，由于常壓條件下空氣摩擦阻力系數(shù)較小，通常也忽略不計(jì)，因此傳統(tǒng)電機(jī)中機(jī)械損耗僅占總損耗的較小部分，且計(jì)算大都是基于經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)電機(jī)氣隙內(nèi)充油時(shí)，變壓器油的動(dòng)力粘度系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，因此對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)電機(jī)風(fēng)摩損耗的油摩損耗具有較為可觀的數(shù)量級(jí)。表貼式永磁同步電機(jī)的氣隙為非均勻氣隙，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)氣隙內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，由此帶來的油摩損耗較大[7]。為減小油摩損耗，轉(zhuǎn)子外側(cè)采取包鐵皮的方式，一方面可以保護(hù)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體，防止永磁體脫落；另一方面可以有效減小由轉(zhuǎn)子齒帶來的附加壓差損耗[7]。此外，本文實(shí)驗(yàn)電機(jī)采用的是面包式表貼永磁體，即永磁體表面形狀滿足正弦函數(shù)關(guān)系，可以保證氣隙磁密的正弦性，有效降低諧波分量，從而減小電機(jī)鐵耗[10]。

本文實(shí)驗(yàn)電機(jī)極對(duì)數(shù)為5，其氣隙截面雖非均勻圓環(huán)，但是氣隙分布具有周期性，即每個(gè)永磁體段為一個(gè)完整的周期，共有10個(gè)周期。樣機(jī)轉(zhuǎn)子模型及一個(gè)周期內(nèi)的氣隙等效模型如圖1所示。

圖1 樣機(jī)轉(zhuǎn)子模型及一個(gè)周期內(nèi)的氣隙等效模型

當(dāng)流體處于層流時(shí)，考慮液體的曲率，可以從等效氣隙模型中選取一無限薄的環(huán)形液層，該液層內(nèi)外表面的摩擦力矩平衡方程：

-2πrτr+2π(r+dr)(τ+dτ)(r+dr)=0

(1)

當(dāng)液體處于層流時(shí)，切應(yīng)力正比于液體微團(tuán)的角變形速度，即：

(2)

式中：μ是流體動(dòng)力粘度，μ=νρ。

記一個(gè)周期所占角度為2θ0，由于轉(zhuǎn)子包鐵皮處理后會(huì)造成氣隙非均勻，將最窄處和最寬處氣隙長度差記為h，且考慮到h較小，可將半個(gè)周期所在的邊界近似記為：

(3)

式中：R1為氣隙最長位置轉(zhuǎn)子半徑，則氣隙最窄處轉(zhuǎn)子半徑可記為R1+h。

沿半個(gè)周期段的切應(yīng)力線積分為I：

(4)

由切應(yīng)力引起的摩擦損耗：

(5)

式中：V0為轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度；L為電機(jī)軸向長度。

2.2 壓強(qiáng)對(duì)粘壓系數(shù)的影響

由式(5)可見，影響油摩損耗的因素有電機(jī)轉(zhuǎn)速ω、變壓器油動(dòng)力粘度μ。由于該充油的永磁同步電機(jī)將應(yīng)用于最深11 000 m的深海中，有必要針對(duì)其特殊的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析。深海中溫度一般為2 ℃～4 ℃，低溫環(huán)境中電機(jī)散熱較好，暫不考慮電機(jī)溫升對(duì)變壓器油粘性的影響。同時(shí)，隨著深度增加，電機(jī)及氣隙內(nèi)部變壓器油所承受的環(huán)境壓強(qiáng)也會(huì)隨之增大。在處于11 000 m深海的環(huán)境中，電機(jī)承受的壓強(qiáng)最高可達(dá)110 MPa。壓力變化將使分子間距改變明顯，液體所受壓力增大時(shí)，液體分子內(nèi)部距離減小，導(dǎo)致液體運(yùn)動(dòng)阻力增加，即液體粘度增加。隨著潛水深度繼續(xù)增加，壓強(qiáng)的影響將不能忽略。本節(jié)將就壓強(qiáng)對(duì)油摩損耗的影響進(jìn)行分析。

變壓器油的粘滯特性一般由動(dòng)力粘度μ和運(yùn)動(dòng)粘度ν表示，具體可表示[11-12]:

μ=ρν

(6)

μ=μ0eαP-λ(t-t0)

(7)

式中：α是變壓器油的粘壓系數(shù)，一般取值為1×10-8m2/N～3×10-8m2/N[11-12]；λ為變壓器油的粘溫系數(shù)；P為壓強(qiáng)，單位為Pa；μ0為溫度為t0時(shí)變壓器油的動(dòng)力粘度。

通常情況下，廠家只會(huì)提供常壓、特定溫度下的變壓器油運(yùn)動(dòng)粘度，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)用變壓器油，在常壓溫度-30 ℃和常壓溫度40 ℃下的運(yùn)動(dòng)粘度分別為720 mm2/s和8 mm2/s，由式(7)可計(jì)算得到該變壓器油的粘溫系數(shù)λ≈0.064。但不同壓強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)粘度廠家并不會(huì)提供，式(7)中的粘壓系數(shù)α無法確定。本文主要考察在深海環(huán)境中，高壓強(qiáng)條件對(duì)變壓器油粘度的影響，因此，式(7)中的粘壓系數(shù)α的確定是關(guān)鍵問題。本文首先按照流體理論計(jì)算粘溫系數(shù)，確定低溫常壓條件下的變壓器油動(dòng)力粘度，再按經(jīng)驗(yàn)選取粘壓系數(shù)，取α=2×10-8m2/N，完成深海低溫高壓條件下的油摩損耗初步有限元仿真計(jì)算，定性給出高壓對(duì)油摩損耗的影響。最后為確定該關(guān)鍵參數(shù)，本文增加參考實(shí)驗(yàn)對(duì)變壓器油的特性曲線進(jìn)行擬合，測(cè)定不同壓力下的動(dòng)力粘度值，進(jìn)而分離電機(jī)氣隙內(nèi)部的油摩損耗。

2 有限元仿真

在流體力學(xué)分析軟件COMSOL中，建立氣隙等效模型，邊界條件中設(shè)置氣隙內(nèi)層即轉(zhuǎn)子側(cè)為滑動(dòng)壁，其切向移動(dòng)壁速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，定子壁視為固定壁。本文對(duì)邊界的捕捉要求嚴(yán)格，采用手動(dòng)網(wǎng)格劃分，將邊界層數(shù)設(shè)置為5層。氣隙建模、轉(zhuǎn)速分布及網(wǎng)格剖分如圖2所示。

圖2 氣隙建模、轉(zhuǎn)速分布及網(wǎng)格剖分

將環(huán)境溫度視為固定，則當(dāng)電機(jī)處于恒溫條件下時(shí)，經(jīng)COMSOL仿真計(jì)算，常溫下隨壓強(qiáng)增大，電機(jī)油摩損耗變化趨勢(shì)如圖3(a)所示，常壓低溫下(4 ℃)電機(jī)的油摩損耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖3(b)所示。

圖3 油摩損耗計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖3可以看出，當(dāng)氣隙非均勻時(shí)，氣隙內(nèi)流體狀態(tài)并非均勻的層流，存在一定的過渡流，而解析法是基于層流假設(shè)進(jìn)行推導(dǎo)的，因此與數(shù)值方法存在一定誤差。常溫條件下，當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)達(dá)到120 MPa時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min下，解析損耗計(jì)算相對(duì)于仿真計(jì)算的誤差約為10.9%；常壓低溫條件下，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 800 r/min時(shí)，損耗誤差可達(dá)到11.1%。但式(5)仍具有一定的參考意義。

3 實(shí)驗(yàn)研究

由前文分析可見，充油電機(jī)內(nèi)部的油摩損耗隨工作深度增加而增加，當(dāng)壓強(qiáng)增至110 MPa時(shí)，油摩損耗對(duì)電機(jī)效率的影響不可忽略。將電機(jī)置于空載旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，首先通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)用變壓器油的粘度特性，再由空載實(shí)驗(yàn)分離電機(jī)內(nèi)部油摩損耗。

本節(jié)參考實(shí)驗(yàn)原理圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖

為準(zhǔn)確測(cè)量粘壓系數(shù)，實(shí)驗(yàn)分為帶軸套和不帶軸套兩組進(jìn)行，置于高壓壓力桶內(nèi)，壓力桶內(nèi)壓強(qiáng)以10 MPa為間隔由常壓增至120 MPa，測(cè)定各個(gè)壓力值下的總損耗，兩組損耗差為軸套表面油摩。為避免溫度系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)在同一溫度條件下進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及樣機(jī)模型如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及樣機(jī)模型

圖6(a)為電機(jī)帶軸套時(shí)不同壓強(qiáng)下的軸套表面油摩損耗值，由圖6(a)曲線可見，當(dāng)壓強(qiáng)增至120 MPa時(shí),軸套表面油摩為6.1 W，根據(jù)式(5)，此時(shí)的變壓器油動(dòng)力粘度約μ=0.23 Pa·s，粘壓系數(shù)α=1.7×10-8m2/N。由此擬合出的軸套表面油摩及變壓器的粘壓特性曲線分別如圖6所示。

圖6 軸套油摩擬合曲線及變壓器油粘壓特性曲線

圖7為常溫常壓下的電機(jī)油摩損耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線與理論情況的對(duì)比，由于常溫下溫度仍然較高，其油摩損耗在低速段較低，隨轉(zhuǎn)速上升，油摩損耗有一定增大。理論計(jì)算值偏小，這是由于常溫常壓下的粘度系數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)則給出了較為準(zhǔn)確的粘度系數(shù)值。

圖7 常溫常壓下理論及實(shí)驗(yàn)油摩損耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8為依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的變壓器油特性的油摩損耗及理論油摩損耗隨壓強(qiáng)增大的對(duì)比。由圖8可見，粘壓系數(shù)的選取對(duì)油摩損耗計(jì)算具有一定影響，僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成較大誤差。

圖8 理論及實(shí)驗(yàn)油摩損耗隨壓強(qiáng)變化曲線

4 結(jié) 語

本文首先推導(dǎo)了深海充油電機(jī)非均勻氣隙油摩損耗的數(shù)值解析式，通過仿真驗(yàn)證了解析計(jì)算的合理性，解析結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)可以近似替代同類型非均勻氣隙的數(shù)值解。此外，本文還分析了全海深充油電機(jī)中關(guān)鍵影響因素壓強(qiáng)對(duì)油摩損耗的影響，結(jié)果表明，隨著壓強(qiáng)增大，總損耗增加。為明確變壓器油的特性，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子伸出軸帶軸套的參考實(shí)驗(yàn)擬合變壓器油的粘壓特性，反推各個(gè)壓強(qiáng)下動(dòng)力粘度，最后對(duì)不帶軸套的電機(jī)空載損耗進(jìn)行分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)電機(jī)處于高壓強(qiáng)時(shí)，油摩損耗占其損耗的較大部分。本文為潛海充油電機(jī)油摩損耗的計(jì)算提供了有效且合理的計(jì)算方法，為其他同類型電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了較可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。