循环泵屏蔽电机定子端部温升过高数值计算

陈卫杰，苗立杰，丁树业(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080)



循环泵屏蔽电机定子端部温升过高数值计算

陈卫杰，苗立杰，丁树业
(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

摘要:为研究环流使屏蔽电机端部出现温升过高的异常现象，以一台5 000 kW的循环泵屏蔽电机为例，基于电磁场和温度场的基本理论，建立电机三维电磁场和温度场的数学模型，采用有限元方法，对电机端部磁密、温升大小及分布进行计算和分析，明确环流是产生电机端部磁密过高及温升异常的的直接原因。通过研究定子齿压板及锥形环有环流分布及切断环流分布两种方案下磁场及温度场的分布规律，改进了齿压板的连接结构，使局部最高温度由230℃降低至175℃，从而解决了温升过高的问题。本研究可以对大容量电机在生产实践中安全稳定地运行，减少和杜绝安全隐患提供参考价值。

关键词:主循环泵;屏蔽电机;环流;电磁场;温度场;有限体积法

苗立杰(1956—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为新能源发电技术，电机综合物理场数值计算;

丁树业(1978—)，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为电机综合物理场数值计算及特种电机理论研究。

0　引言

核电是世界三大电力支柱之一，由于其具有燃料消耗量少、对环境影响小、功率大、发电成本低等优点，越来越成为当今世界上大规模可持续供应的主要能源之一，发展潜力巨大。

主循环泵屏蔽电机是核电站二次回路系统的重要组成部分。其安全稳定运行对冷却堆芯及防止发生核电事故起着非常关键的作用。由于电机工作环境的特殊性及其本身密封的特点，其内部温度分布及散热情况十分复杂。本着“在确保安全的基础上高效发展核电”的核工业发展方针，电机关键部件的安全稳定运行就显得额外重要，因此需要对其进行研究。

在电机内的磁场、涡流场、温度场、流体流动性能以及通风结构优化方面，国内外专家学者取得了显著的研究成果［1－22］，国内学者梁艳萍、黄浩、张建涛等采用三维有限元法计算了大型空冷汽轮发电机在考虑涡流时，空载和满载工况下端部电磁场的分布情况，以及双屏蔽复合转子电机在启动及负载等工况下，定转子屏蔽套及复合转子部分的涡流分布［1－3］。丁树业、孟凡东、葛云忠等采用有限体积法对核主泵屏蔽电机及1.5MW双馈风力发电机内部流体场和温度场进行了数值计算，得出了电机内冷却空气的速度分布及定、转子股线、铁心的温度分布［4－5］。胡敏强、杜炎森等学者在求解温度场的理论和汽轮发电机端部电磁场及温度场等方面做了大量的研究工作［6］。

虽然专家学者在此领域取得了很多研究成果，但针对循环泵屏蔽电机出现温升异常的情况，从理论和实践等方面探究温升过高的原因，提出合理解决办法的研究上，还留有很大空白。

本文以一台5 000 kW主循环泵屏蔽电机为例，在电机电磁、温度场理论基础上建立了电磁和温度场计算模型。采用有限元方法对其进行了计算。求得电机在不同结构下损耗特性和温度分布情况，通过对计算结果进行深入研究。指出环流是电机端部出现温升过高的直接原因。通过对实验结果的分析论证，改进其端部结构，从而排除故障隐患。

1　电路问题探究

1.1求解模型的确定

本文研究的异步电机为立式、水冷、鼠笼三相四极异步电动机，额定电压6 000 V，额定功率5 000 kW。冷却系统采用定转子夹层通水的结构，定子端部被密封在惰性气体腔内，其整体结构如图1所示。

图1　电机整体结构示意Fig.1 Structure diagram of wholemotor

电机在试验时发现定子上端齿压板表现出温度异常偏高(约230℃)，且不稳定情况。电机耐热级别为200℃。此种局部温度过高的情况会引起绝缘迅速老化，影响电机寿命。

1.2分析原因

电机端部如图2所示。

电机定子绕组的端匝和中心部位均处在旋转磁场之中，在端匝处由于不完全与轴线垂直，存在轴向磁场和径向磁场。电机运行时，轴向磁场平行轴线方向周向旋转，指压板的金属齿受该旋转磁场作用而产生感应电流，而指压板因支撑环而联通各金属齿和外部机壳，形成感应电流－环流(环流流经路线如上图2中虚线所示)，环流在指压板上产生很大的电气损耗和热量，这些损耗和热量在轴向长度上传导路径较短，热量不能很好地导散出去，因此聚积起来出现局部部件温度过高的现象。

图2　电机端部放大结构示意Fig.2 The end region structure

基于以上分析，认为温升过高的原因是齿压板、支撑环与机座之间由于电气接触产生感应电流－环流，为解决齿压板温升偏高的问题，可采用如下方法:

A)减小压板体积，采用高电阻率的压板材料降低内部涡流损耗;B)用磁屏蔽或电屏蔽等措施减小涡流;C)在环流出现的环路中增加绝缘物质，阻断环流流通路径，降低环流损耗。

针对上述可行性方法，认为在齿压板与锥形环之间增加绝缘材料，断绝其电气接触，阻止环流产生，此种方法简单宜行，符合工程实践需要。

因此本文对齿压板与锥形环间两种不同的结构，即不加绝缘和增加绝缘结构分别建立了有限元模型，通过分析比较其磁密、损耗分布以及温度场的分布来验证方案的可行性。

2　磁场分析

2.1三维端部模型

图3为电机端部结构件示意。

图3　电机端部主要结构件示意Fig.3 The end region structuremain component chart

在端部结构中，结构件几何结构差异较大，不同结构件的材料也各不相同。为简化分析，在满足工程实际情况的前提下，作如下假设［1－3］:

1)不考虑磁场高次谐波和位移电流的影响;

2)端部结构件如压板、锥形环、封头环、机壳法兰的电导率和磁导率为常数、各向同性，忽略非线性效应。

3)定子铁心由于其叠片式的结构使得磁场在其中产生的感应电流很小，视为非涡流区域，可以通过其他方式计算来得到其损耗值。

4)定子绕组为非涡流区，绕组中的电流不受外界磁场影响而变化。

根据以上假设，由麦克斯韦方程组可以得到三维瞬态涡流场的边值问题:

在压板、压指、锥形环等涡流区域中，有

在定子铁心、绕组等非涡流区中，有

式中［2］:JS为源电流密度;为复矢量磁位;为复标量电位;μ、σ分别为磁导率和电导率。

2.2计算结果及分析

2.2.1压板与锥形环间有无绝缘时磁场分布

图4显示了额定工况下一个运行周期后的某时刻压板与锥形环中磁场分布情况。

图4　压板磁场分布图Fig.4 The distribution of finger platemagnetic field

从图4可以看出，在压板齿部，随着半径的减小，磁密在缓慢增加，靠近顶部位置，磁密达到了最大值。无绝缘时(如图4(a))，齿顶部的磁密达到了齿根处磁密的5倍之多。增加绝缘后(如图4(b))，齿压板上的磁密整体值明显降低，压板齿顶部仍是磁密最高的区域，从齿部到根部，磁密逐渐降低。

由于环流的存在，压板齿顶与锥形环接触的部位出现磁密增大的情况，并且其接触部分磁密值达到了最大。而压指指部指向轭部部分以及锥形环的内缘指向外缘部分均出现了明显的磁密梯度。

锥形环中磁场分布如图5所示。

从图5可以看出，由于与压板的直接接触，锥形环中的磁密分布在靠近定子压板处呈现出磁场集中较大的区域，随着锥形环长度加长，其向外渗入的深度明显减小。

图5　锥形环磁场分布图Fig.5 The distribution of cone ringmagnetic field

从对比图可见，增加绝缘后，锥形环的磁密明显减小，而且磁密除内环前端较密集外，呈现出由内环向外环扩散的趋势。

2.2.2压板与锥形环间有、无绝缘时环流分布

如图6所示，当压板与锥形环间无绝缘填充时，齿压板、锥形环之间由于电气接触而连接成为一个整体，这之间构成了环流流通的路径，环流在齿压板、锥形环间均匀流动，具有明显的周期性。压指与锥形环之间被一层绝缘完全隔开后，齿压板中环流被切断，只存在涡流，涡流在压板指中杂乱无章的流动，没有明显的路径和周期性。

图6　齿压板与锥形环间环流分布图Fig.6 The circulation distribution of finger plate and cone ring

2.2.3压板与锥形环间有、无绝缘时涡流分布

压板中涡流损耗分布如图7所示。由上图7可见，无绝缘时，压板损耗最大值出现在个别压指上。由于环流的影响以及绕组产生的磁场绕端部旋转的作用，在某一刻，压板个别齿上出现了损耗最大值。此损耗的最大值会导致压板局部温升过高，且出现不稳定的情况;增加绝缘后，压板的损耗随之有效降低，而且其损耗出现位置有从齿部向轭部转移的趋势。

图7　压板中涡流损耗分布图Fig.7 The eddy losse distribution of finger plate

锥形环中涡流损耗分布如图8所示。

从图8可见，锥形环的损耗热量较未增加绝缘前减小了很多。而且损耗热量除内环前端聚积了一部分外，呈现出热量由内环向外环扩散的趋势。这是由于切断环流后，在端部漏磁场频率不变的情况下，涡流损耗与板厚度的平方成正比，所以锥形环的损耗由内环向外环转移了。

图8　锥形环中涡流损耗分布图Fig.8 The eddy losse distribution of cone ring

各部件损耗如表1所示。

表1　各部件损耗值Table 1 The losses of parts

由表1可见，在所有的损耗值中，定子机壳法兰损耗很小，约占总损耗的0.3%，锥形环和压板的损耗值分别占了总损耗值的58%和42%。这是温度场温度变化的主要影响因素。

从以上图表数据可知，增加绝缘对减小端部部件的磁通密度以及损耗具有明显的作用。特别是压板上的涡流损耗值，在添加绝缘前后变化巨大。增加绝缘，端部结构件总的涡流损耗由76 kW下降至43 kW，减小了43%，尤其是齿压板中的涡流损耗，由32 kW减小到8.5 kW，减小了3.7倍之多。可见增加绝缘有效地切断了环流流通的路径。作为温度场计算的热源输入，这种损耗的变化为减小温升提供了必要条件。

3　温度场分析

3.1数学模型

3.1.1三维导热方程

对电机内的稳态温度场进行数值研究，由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，导热方程去掉了时间项，简化了方程求解的难度。同时选用三维稳态含热源、各向异性介质的导热控制方程，在笛卡尔坐标系下，三维导热方程［4－7］可表示为如下形式:

式中:T为固体待求温度，K;kx、ky、kz为求解域内各种材料沿x、y及z方向的导热系数，W/(m·K);q为求解域内各热源体密度之和，W/m3;ɑ为散热表面的散热系数，W/(m2·K);Tf为散热面周围流体的温度，K。

3.2物理模型

由电机的结构对称特点，建立电机半个轴向段，周向一齿和两个半槽的定子部分模型。Z轴为轴向，环境温度为300K。图9为所建模型定子端部温度场数值计算求解域，图10为绝缘填加位置。

图9　定子端部温度场数值计算求解域Fig.9 Ending temperature field numerical calculation region of stator

图10　绝缘位置图Fig.10 Insulation position

3.2.1基本假设

为了合理简化求解过程，本文做出以下基本假设［4－7］:

1)根据电机的结构特性，在整个圆周范围内具有周期对称特征，并且电磁损耗以及流体流动特性也具有周期对称性;

2)由于主绝缘的隔热作用，在研究端部结构的温度场时，忽略其圆周方向的传热效应;

3)对电机端部的稳态温度场进行数值研究，即控制方程中均不含有时间项;

4)忽略温差造成的定子齿压板和锥形环电阻率的变化。

3.2.2边界条件

1)机壳及夹套外表面为散热边界条件，而齿压板、锥形环与端部冷却介质相接处的表面均为绝热边界条件。

2)定子齿压板外边界面均为绝热面。

3.3计算结果及分析

3.3.1压板与锥形环间有、无绝缘时温度分布

其整体温度分布如图11所示。图11为有、无绝缘结构时全域温度分布图。根据温度分布特性以及数值计算结果可以看出，无绝缘时，全域最高温升为219.6K，发生在压指中下部，按照电机绝缘的温升考核级别，此处温升超出了限值。加绝缘后，温升由219.6K降低至165.6K，与工厂温升实验所测温升最高位置大体一致，完全符合了改进方案的预期。

图11　全域温度分布图Fig.11 Temperature distribution of whole region

为清晰展现齿压板的温升变化关系，给出其二维温升变化图。

从二维温升分布图12可见，图12(a)压指出现局部温升过高的情况。加绝缘后，温度得到了明显的降低，而且局部过热的现象消失了。图12(b)温升呈现出均匀、稳定的分布规律。这是由于切断环流后，指压板附近的损耗重新进行了分布。虽然压板内部涡流损耗由于外部磁场的作用依然存在，但已经不是温升过高的主要影响因素。温升值由此减小了很多。

图12　二维温升分布图Fig.12 the tem perature rise distribution of two-dim ension

另外，增加绝缘后，温升虽然降低了很多，但绝缘阻碍了热量从齿压板向锥形环的传导路径。使得换热效果变差一些。然而，增加绝缘的主要作用是切断了由于环流存在而产生的附加热源，损耗热量降为原来的四分之一，温升降低了54K，解决了主要矛盾，因此达到了改进方案的目的。

3.3.3两种方案结果对比

由以上温度分布图以及对数值计算结果进行分析可知，不同方案下的温度场温度分布规律相似，最高温升出现在压指上。其最高温升及温升所在位置对比如表2所示。

表2　温升所在位置对比表Table 2 the com parison of tem perature rise

3.3.4计算结果与实验值比较

为验证分析方法的合理性，电机运行时对端部温升进行了试验。即电机额定运行工况下，在定子压板上安装了热电偶(TC)，放置在上下齿压板上，每个齿压板设定上、中、下三个测温点，各测温点之间相差120°。图13标示了测温元件1、2、3号热电偶的埋设位置，忽略热电偶绝缘温差对测量数据造成的影响。

图13　指压板热电偶安装位置Fig.13 The thermocouple installation at finger plate

为使对比结果更加清晰，在电机耦合场的计算中提取了指压板上、中、下三个位置处的温升结果，与实验电机指压板相同位置处的最高温升进行了对比。有限元仿真计算与真机实验都以电机额定运行工况为基准，其结果见表3。为了更加形象的观察改进方案的降温效果，现根据表3数据列出温升变化幅值直方图如图14所示。

表3　计算温度与实验温度对比Table 3　Calculated temperature rise compared w ith the test temperature rise

图14　改进方案与原始方案温升对比直方图Fig.14　the tem perature rise com parison histogram for im provement scheme and the original scheme

4　结论

本文通过对额定工况下5 000 kW异步电机定子齿压板与锥形环电磁场、温度场的数值计算及分析，得出如下结论:

1)从计算结果和实验值的对比中发现，压板与锥形环间不接触时温度相差9.4℃，误差约为5%，;压板与锥形环间接触时温度相差10.3℃，误差约为4%，符合工程计算的需要。

2)在齿压板与锥形环间增加一层绝缘后，阻断了环流流通的路径，一方面降低了压板与锥形环间的磁通密度，另一方面减小涡流损耗，使局部温升降低了54K。对于改善大容量电机局部部件的过热现象具有十分重要的意义，也为工程实践中解决环流问题提供了参考。

3)由电磁的原理可知，电场、磁场相互作用感应生成的环流是电机端部齿压板温升过高的原因，因此切断环流流通的路径是解决问题的关键。

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(编辑:刘素菊)

Numerical calculation on overheat of stator end region of circulating pump canned motor

CHEN Wei-jie，MIAO Li-jie，DING Shu-ye
(College of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

Abstract:To investigate the high temperature abnormal phenomenon caused by circulating current of canned motor at the end region，a5000 kW canned induction motor is taken as an example.Amathem aticalmodel of3-D electro magnetic and temperature field was established based on the electro magnetic field and temperature field theory.Through the calculations and analysis ofmagnetic density and the distribution of temperature，concluding that the circulating current is the direct reason why themagnetic density atmotor end is too high and the temperature rise is abnormal.After the study of the distribution of the electro magnetic field and temperature field between two schemes thatwith circulating currentand no circulating current between finger plate and cone-ring，a new connecting schemewas provided whichmade the temperature reduce from 230℃to 175℃.Overheating problem at the motor＇s end was resolved.This study gives a reference for larger capacitymotor to release and cutoff the incipient faultunder the productive practice，and ensures themotor running safely and steadily.

Keywords:the primary circulating pump;the canned motor;circulating current;electro magnetic field; temperature field;finite volume method

通讯作者:陈卫杰

作者简介:陈卫杰(1974—)，女，博士研究生研究方向为电机综合物理场数值研究;

基金项目:国家自然科学基金(51277045)

收稿日期:2014－02－12

中图分类号:TM 343

文献标志码:A

文章编号:1007－449X(2016)02－0083－07

DOI:10.15938/j.emc.2016.02.012