新型移相式屏蔽电动机屏蔽套涡流与温升分析

安跃军,张强,李文瑞,师勇

(1.沈阳工业大学电气工程学院,110870,沈阳; 2.大连海密梯克泵业有限公司屏蔽电机事业部,116620,辽宁大连)

新型移相式屏蔽电动机屏蔽套涡流与温升分析

安跃军1,张强1,李文瑞1,师勇2

(1.沈阳工业大学电气工程学院,110870,沈阳; 2.大连海密梯克泵业有限公司屏蔽电机事业部,116620,辽宁大连)

针对屏蔽电动机屏蔽套涡流损耗造成温升过高,影响安全性的问题,基于消除屏蔽套感应电势的思想,提出了新型移相式屏蔽电动机结构。通过两个同轴相连的单元异步电动机定子绕组在周向空间上相差一个极距安置,使两个单元电动机旋转磁场在共用的定子屏蔽套上产生大小相等而方向相反的感应电势,相互抵消,从而抑制涡流损耗,降低屏蔽套温升,以提高屏蔽电动机的可靠性和安全性。涡流场分析表明:新型结构屏蔽电动机中屏蔽套上的涡电流密度明显下降,体现了双段移相式屏蔽电动机屏蔽套上感应电势的抵消作用;就算例而言,定子屏蔽套涡流损耗降低了近32%,由于涡流损耗的降低,定子屏蔽套的温升得到抑制,算例屏蔽电动机屏蔽套温升下降了13 ℃,其热应力及热膨胀也会随着温度的降低而减小。移相式屏蔽电动机具有工程开发价值,可为改进当前屏蔽电动机产品的可靠性和安全性提供技术方案。

屏蔽电动机;双段移相式结构;涡流损耗;温升

在现代介质传输装置中,屏蔽电动机与泵一体化的屏蔽泵具有完全无泄漏、结构紧凑、质量轻和高稳定性等诸多优点[1]。屏蔽泵的动力核心是屏蔽电动机[2-4],该电动机是在普通三相异步电动机之上派生而来的。屏蔽电动机与泵构成一个封闭的整体,无需轴封结构,定子内侧和转子外侧各装有一个金属屏蔽套,这样输送的介质可以进入电动机内部而不与定、转子接触[3],确保定、转子铁心和绕组不受所传输介质的腐蚀,实现安全稳定运行。然而,根据电磁感应定律,处在定、转子之间的金属材质屏蔽套会产生感应电势,涡流损耗过大、屏蔽套温升过高,进而导致屏蔽套起皱、鼓包和破裂而酿成事故,所以抑制屏蔽套涡流、降低电机损耗有利于提高电机的安全性,具有重要意义和实用价值。

1 屏蔽套涡流损耗估算与抑制措施

屏蔽套是分布式导体,涡流在屏蔽套中流通路径不固定,为了估算出屏蔽套涡流损耗,文献[5]在进行一系列假设的情况下,基于导体电阻损耗推导出屏蔽套涡流损耗,表达式如下

(1)

(2)

式中:Δ为定子屏蔽套的厚度;Dx为屏蔽套直径;L为屏蔽套长;f为气隙磁场的频率;Bm为气隙磁密最大值;ρ为屏蔽套材料电阻率。

由式(2)可以看出,屏蔽套涡流损耗与屏蔽套的直径、厚度、长度,气隙磁密和材料电阻率等直接相关。传统抑制屏蔽套损耗的途径如下[6]。

(1)减少定子铁心内径。屏蔽套损耗p与其直径Dx的立方成正比,通常的屏蔽电动机将其设计为细长形。

(2)降低气隙磁密。由于定子屏蔽套涡流损耗与气隙磁密Bm的平方成正比,通常屏蔽电动机设计时气隙磁密较低,一般为0.45～0.6 T。

(3)选用强度高、耐腐蚀、电阻率高、导热性能好、焊接性能优的非磁性材料屏蔽套。

由式(1)可知,产生涡流损耗的根本原因是屏蔽套中产生的感应电势,而传统抑制途径只是被动地降低屏蔽套涡流损耗。本文提出一种目的在于主动根除涡流的新思想,就是消除屏蔽套中的感应电势,构造一种新型双段移相式电动机结构,以便更有效地抑制涡流损耗。

2 新型移相屏蔽电动机

本文提出的双段移相式屏蔽电动机结构如图1所示,与传统屏蔽电动机尺寸的对比如表1所示。

表1 双段移相屏蔽电动机与传统屏蔽电动机尺寸对比

样机额定功率/kW极数定子外径/mm定子内径/mm铁心长度/mm定子屏蔽套长度/mm双段移相屏蔽电动机1 541207580+80300传统屏蔽电动机1 5412075160300

1为单元电动机a的定子铁心;2为单元电动机b的定子铁心;3为单元电动机a的转子铁心;4为轴;5为定子屏蔽套;6为端盖;7为轴承;8为单元电动机b的转子铁心;9为机壳;10为转子屏蔽套

新型双段移相式屏蔽电动机主要有以下特点。

(1)双段移相式屏蔽电动机由两个轴向排列、同轴装配的单元电动机构成。

(2)两个单元电动机共用一个定子屏蔽套和一个转子屏蔽套。

(3)两个单元电动机在结构形式和尺寸参数上相同。

(4)两个定子绕组在周向空间上相差一个极距,两个定子绕组接入同一交流电源,在电动机气隙内形成两个强度相同、转速相同、转向相同的旋转磁场,两磁场在屏蔽套上产生大小相等而方向相反的感应电势,可相互抵消。

(5)两个转子上产生的电磁转矩大小相等、方向相同,合成转矩驱动屏蔽泵叶轮实现机电能量转换[2,4]。

3 屏蔽套涡流特性分析

屏蔽套受旋转磁场的切割会产生感应电势进而在屏蔽套内产生涡流,屏蔽套导电具有分布特性,使得涡流路径不会像导线那样被约束在规划好的区域内。所以,屏蔽套涡流大小和路径难以用传统“路”的方法计算和确定。为此,本文利用有限元方法对屏蔽套涡流特性加以计算和分析,也为温度场计算做准备。

根据表1的电动机参数,在有限元软件中建立屏蔽电动机模型。为便于涡流损耗的对比,建模时忽略谐波的影响,同时双段移相式屏蔽电动机和传统屏蔽电动机定、转子采用相同的槽形尺寸,屏蔽套也采用相同材质和长度的不锈钢,运用零切向磁场强度边界条件进行有限元分析[7]。

利用有限元软件建立的双段移相式屏蔽电动机和传统屏蔽电动机三维模型[8]如图2所示。

(a)双段移相式屏蔽电动机

(b)传统结构屏蔽电动机1、6为定子屏蔽套;2、3为单元电动机I定子绕组和铁心;4、5为单元电动机II定子铁心和绕组;7、8为传统屏蔽电动机定子绕组和铁心

由于定子屏蔽套中产生的是分布式感应电势,无法得出直观的仿真结果,而涡流是感应电势作用在屏蔽套上形成的,因此可通过电流密度矢量分布间接反映感应电势变化。图3是交变磁场在两种结构屏蔽电动机屏蔽套上产生的电流密度的矢量图。从图中可以看出,传统屏蔽电动机屏蔽套上的电密在屏蔽套中间位置最大,电流密度只在两侧端部附近略有下降,且降幅不明显,元件边所对应的中间区域电流密度最高达到9.7A/mm2。在双段移相式屏蔽电动机两套定子绕组之间的一段公共区域内(黑线之间),由于两个极性相反的交变磁场的作用,在导电材质的屏蔽套上产生的感应电势方向相反,感应电流方向也相反。由图3可见,公共区域内的一部分电流互相抵消,使电流密度最高值为7.2 A/mm2。双段移相式屏蔽电动机屏蔽套相对传统屏蔽电动机电流密度的最大值下降了25.8%。

(a)双段移相式屏蔽电动机

(b)传统结构屏蔽电动机

屏蔽套涡流损耗与电流密度的关系为[9]

(3)

式中:J为电流密度;σ为电导率;p为涡流损耗;Ω为对应介质体积。

由式(3)可知,若屏蔽套电导率不变的话,随J减小,涡流损耗以方次比例降低。

两种结构的电动机定子屏蔽套损耗如图4所示。从图中可以看出,传统屏蔽电动机涡流损耗平均值约为282 W,而双段移相式屏蔽电动机定子屏蔽套涡流损耗平均值约为193 W,减少了31.6%。

图4 定子屏蔽套涡流损耗的对比

4 屏蔽套稳态温升分析

屏蔽电动机运行时会产生损耗,这些损耗都会转变为热能,使电动机各部分的温度升高。屏蔽套产生涡流损耗同样会导致屏蔽套的温度升高,该温升会使屏蔽套产生热变形,起皱甚至破损,安全系数降低。因此,正确计算屏蔽电动机温升情况,不仅可以优化电动机设计,还可以为电动机更高效、更安全地运行奠定坚实的基础。

4.1 温度场数学模型

根据传热学理论[10],屏蔽电动机内温度场问题可以用三维热传导方程描述

(4)

式中:T为温度;q为热源密度;c为比热容;γ为密度;τ为时间;S1为电动机绝热边界面;S2为电动机散热边界面;Te为S2周围介质的温度(℃,时间的函数);α为S2面的散热系数;K为S1和S2面法向导热系数;Kx、Ky、Kz分别为电动机各介质x、y、z方向的导热系数。

4.2 温度场仿真

为方便计算,给出求解区域的基本假设和边界条件如下。

基本假设:只考虑温度的平均效应(即不考虑温度不均匀分布引起电动机电磁性能及热源变化);槽绝缘与槽内空气夹层的热性能参数取二者等效值。

边界条件:由于转子屏蔽套损耗和温升相对于定子屏蔽套很小,在温度场分析中可以忽略,认为定子屏蔽套与气隙之间由空气流动散热;机壳外表面为散热面。

将电磁场有限元分析所得各项损耗赋值,添加各散热面散热系数,建立电动机温度场仿真模型,得到温度场仿真计算结果如图5和图6所示。

图5 双段移相式结构屏蔽电动机定子屏蔽套温度分布

图6 传统结构屏蔽电动机定子屏蔽套温度分布

从图5、图6可以看出,相对于传统屏蔽电动机,双段移相式屏蔽电动机在额定运行时由于定子屏蔽套损耗减少,使温升得到抑制。定子屏蔽套的热源为定子旋转磁场在其上感应电势所产生的涡流损耗,因此热源区域主要集中在绕组的元件边所对应的区域。对于传统屏蔽电动机,屏蔽套上涡流损耗分布较为均匀,两端由于绕组的端部和端盖之间有间隙而使得一部分热量得以散发。相比较而言,双段移相式结构的屏蔽套热源热量低,导致整体温度低,中间区域由于两套励磁绕组的共同作用,导致温度比两侧高,在定子屏蔽套、铁心和机壳同等长度的情况下,多出的端部使得绕组与机壳之间的空气所占体积减少,因此在两侧很小的一段区域比传统电动机屏蔽套温度略高。

通过图7的数据分析可得,传统屏蔽电动机定子屏蔽套平均温度为100℃,双段移相式屏蔽电动机定子屏蔽套平均温度为87℃,降低了13 ℃。双段移相式屏蔽电动机定子屏蔽套的温升相比传统屏蔽电动机下降很多,同时热应力也会随之减小,而该结构电动机屏蔽套的受热膨胀及热变形会得到抑制。在工程实践中,采用此结构的屏蔽电动机不仅可以显著提高屏蔽电动机的效率,而且降低了屏蔽套过热而产生的起皱和破损的几率,可以提高屏蔽泵电动机的运行安全性。

图7 额定负载时定子屏蔽套温升分布

5 结 论

本文提出一种新型双段移相式屏蔽电动机结构,通过三维涡流场有限元仿真,得到屏蔽套涡流损耗以及相对应的温升分布。通过涡流场分析表明,新型结构屏蔽电动机中屏蔽套上的涡流密度明显下降,体现了双段移相式屏蔽电动机屏蔽套上感应电势的抵消作用。就算例而言,定子屏蔽套涡流损耗降低了近32%,由于涡流损耗的降低,定子屏蔽套的温升得到抑制,算例屏蔽电动机屏蔽套温升下降了13 ℃,其热应力及热膨胀也会随着温度的降低而减小。

虽然相对于传统屏蔽电动机,新型屏蔽电动机轴向长度会略有增加,导致成本增加,但是可以控制在可接受的范围内。电机的损耗降低,温升下降,提高了电机的安全性,对核电用户而言,屏蔽泵的安全性更为重要,也更具有工程实用价值。

由于屏蔽套中感应电势随气隙磁场的旋转而变化,屏蔽套是分布式导体,屏蔽套中涡流路径不能人为规划,导致感应电势未能完全抵消,涡流损耗未能完全抑制。如何更高效地抑制屏蔽套感应电势有待进一步深入研究,例如基于抵消感应涡流电势的思想,探索新的结构,寻求新的方法。

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(编辑 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。

安跃军(1962—),男,教授。

辽宁省科技计划资助项目(2010220011);沈阳市科技计划资助项目(F11-190-7-00)。

时间:2014-04-25

10.7652/xjtuxb201406009

TM301

:A

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

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140425.0930.003.html