干式涡旋真空泵用特种电机温度场仿真与实验

安跃军， 张振厚， 张强,3， 王光玉， 刘在行

(1.沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司真空干泵事业部，辽宁 沈阳 110168；3.昆明精密机械研究所电动力研究室，云南 昆明 650100)

干式涡旋真空泵用特种电机温度场仿真与实验

安跃军1， 张振厚2， 张强1,3， 王光玉2， 刘在行2

(1.沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司真空干泵事业部，辽宁 沈阳 110168；3.昆明精密机械研究所电动力研究室，云南 昆明 650100)

针对单相电源供电干式涡旋真空泵用特种电机温升过高经常烧毁的问题，对采用电子移相方式运行的新研发电机的温度场进行仿真计算和实验分析。以抽速为2 L/s的干式涡旋真空泵电机为例，利用有限元分析法建立其温度场计算的仿真模型，设置热源激励和散热边界条件，获得了新研发电机内部各个部件温度场分布特征；对研发的单相电源供电干式涡旋真空泵用特种电机进行温升实验，获得了从冷态起动到温升稳定过程中关键部件温度随时间变化特性曲线。温度场分析和实验结果表明，所研发电机温度分布合理，电机内最高温度点的温升尚有安全裕度，为新产品批量生产提供了科学依据。

特种电机；干式涡旋泵；温度场；温升实验；真空泵

0 引 言

干式涡旋真空泵又称为无油真空泵，旋转密封和气流通道中不使用任何油类和液体，是一种无油和高效获得超高清洁真空的先进技术和设备。其主要应用行业有：科学仪器、半导体制备、真空冶金、医疗设备、生物制品、光伏器件生产线、医药食品包装行业等[1-3]。

国家科技部《科技条件十二五规划专项》中将“加强真空泵、真空系统等科学仪器设备关键部件和配套系统的研发和应用“确定为我国十二五期间重大科学仪器设备开发的重要任务之一。本课题组承担了国家重大科学仪器设备开发专项“耐腐蚀超洁净系列涡旋干式真空泵开发和应用”(项目编号2013YQ240421)，项目的实施益于提高我国高端科学仪器如质谱类、光谱类、电镜类仪器的质量水平，为营造超高洁净的真空环境提供设备保障[4]。

干泵特种电动机是直接影响干式真空泵性能指标和寿命的动力核心，是该重大专项中关键技术之一。本文工作的要求在于：①将三相供电改为单相电源供电，不增大电机体积且功率不变；②为了美观，单相电源供电时，干泵驱动电机壳体上不能背电容器或者电阻器；③为确保真空度，电动机没有设置轴驱风扇，导致电机的全封闭外壳处于自然冷却。现有电动机情况是，背装电容器影响了美观，关键是电机内负序旋转磁场的存在增加了损耗和发热，同时由于没有冷却风扇和电机定、转子运行在密闭真空环境中，导致温升过高，经常烧毁电机，故障频发；该工程实际问题亟待研究和解决，本文采用电子移相方法(这部分内容拟另文发表)构造控制器将单相电源电压进行转换后施加到电机绕组来消除负序磁场的作用，以提高电机内旋转磁场的正弦化程度。

为了说明电机内部热问题的改善效果，本文以抽速为2L/s干式涡旋真空泵用单相电源供电特种电机为例，建立温度场有限元仿真模型，结合工程实际确定基本假设、设置热源激励和散热边界条件，分析新研发电机内部部件温度场分布特征；同时，对新研发的单相电源供电干式涡旋真空泵用电子移相式特种电机进行了温升实验。本文涉及的干式涡旋真空泵用单相特种电机已实现量产，装备到可替代进口的高品质真空泵产品。

1 干式真空泵电机温度场分析

1.1 电机内温度场数学模型

根据传热学基本理论，电动机内的稳态温度场可以通过三维导热方程式(1)加以描述[5-7]。

(1)

式中：T为温度(℃)；q为热源密度(W/m3)；c为比热容；γ为密度(kg/m3)；τ为时间(s)；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-S2面的散热系数(W/(mm2·℃))；K为S1和S2面法向导热系数(W/(mm2·℃))；Kx、Ky、Kz为电动机各介质x、y、z方向的导热系数。当温度稳定后，∂T/∂τ=0，可得到三维稳态温度场的数学模型[5]。

1.2 电机内温度场数值计算

以抽速为2 L/s干式涡旋真空泵用单相电源供电电子移相式特种电机为例，防护等级IP54，冷却方式为IC410，采用F级绝缘，工作制为S1，分析温度场分布特征，该特种电机结构如图1所示。

单相电源供电干式涡旋真空泵用电子移相式特种电机技术参数：额定电压为220 V，额定功率为180 W，额定频率为60 Hz，额定转速为1 695 r/min，0～60 Hz为恒转矩运行，60～120 Hz为恒功率运行。

为了合理简化计算过程，给出求解区域的基本假设和边界条件如下：

基本假设：槽绝缘与槽壁之间的热性能参数取二者等效值、电子移相控制器的发热按照比损耗方法等效。

边界条件：定子部件和转子部件内部零件间是热传导边界，定子部件与转子部件间隙是流体散热边界，因无风扇冷却故机壳表面为空气自然散热面边界；有限元热计算的环境温度与样机温升实验时的环境温度一致，设为22.5℃，以便对比。

图1 单相供电电子移相式特种电机结构Fig.1 Structure of single phase power electronic phase shifted special motor

热源设置：将前期电磁场有限元分析得到的各项损耗分别赋值给各个发热部件，如满载时定子绕组铜耗57W、转子绕组铜耗22W、定子铁心损耗8.4 W和机械杂散损耗14.7W，忽略比例很小的转子铁耗。

考虑到真空环境下转子散热条件差，热膨胀比普通电机大的因素，电机气隙较普通电机要大一些，电机激磁电流分量增加，故定子绕组铜耗比定子铁耗高。

为清楚地观察和了解到电机各个部件的温度分布特征，为后续电机改进设计提供参考，将通过有限元数值计算得到该特种电机各部件温度分布图依次展示，如图2至图8所示；并获取各个部件的最高温度值，如表1所列。可见，在电机内部定子绕组温度最高，为79.2 ℃，是由于定子绕组的铜耗较大和散热条件较差造成的。

2 干式真空泵电机温升实验

为了验证新研发特种电机设计方案的合理性和有限元热分析的正确性和准确性，本文对所研发的抽速为2L/s干式涡旋真空泵用单相电源供电电子移相式特种电机，进行负载温升实验，实验环境温度为22.5℃；对于以往经常烧坏的定子绕组温度采用pt100热传感器测量，对于机壳外表面温度利用IMPAC IN15型手持温度仪测量，实时记录温度变化，温度测试结果如图9所示。

图2 干式涡旋真空泵特种电机整体温度分布Fig.2 Temperature distribution of the whole special motor for the dry screw vacuum pump

图3 干式涡旋真空泵特种电机外壳温度分布Fig.3 Temperature distribution of the special motor stator’s casing for the dry screw vacuum pump

图4 干式涡旋真空泵特种电机后端盖温度分布Fig.4 Temperature distribution of the special motor’ endhousing for the dry screw vacuum pump

图5 干式涡旋真空泵特种电机定子铁心温度分布Fig.5 Temperature distribution of the special motor’ stator core for the dry screw vacuum pump

图6 干式涡旋真空泵特种电机定子绕组温度分布Fig.6 Temperature distribution of the special motor’ windings for the dry screw vacuum pump mp

图7 干式涡旋真空泵特种电机转子温度分布Fig.7 Temperature distribution of the special motor’s rotor for the dry screw vacuum pump

实验数据与有限元温度场计算结果对比可见，定子绕组温度测试值为81.5℃，有限元计算值为79.2℃；机壳温度实验测试值为53.6℃，有限元计算值为59.4℃。以实验值为基准的相对差分别为2.8%和10.8%。实验值与计算值的差别除了有限元计算时一些假设和等效处理外，由于干式涡旋真空泵运行时涡旋叶轮会使空气产生流动，有辅助机壳散热的效果，而有限元计算时假设机壳是空气自然散热，故机壳部位温度实验值比计算值低。

图8 干式涡旋真空泵特种电机轴与轴承温度分布Fig.8 Temperature distribution of the special motor’shaft and bearing for the dry screw vacuum pump

主要部件最高温度/℃机壳59.4后端盖57.6定子铁心71.6定子绕组79.2转子铁心、鼠笼66.6转轴、轴承65.6

图9 干式涡旋真空泵特种电机温升实验曲线Fig.9 Experiment temperature rise curve of the special motor for the dry screw vacuum pump

通过有限元计算和温升实验，得到电动机最热部件绕组的温升分别为56.7K 和59K，与F级绝缘等级绕组温升限值115K相比，还有较大裕度[8]。

3 结 论

通过对抽速为2 L/s的干式涡旋真空泵用单相供电特种电机温度场有限元计算和样机温升实验，得到如下结论：

1)满载工况下，电机内最高温度点发生在定子绕组端部，是由于定子绕组的铜耗相对较大和散热条件较差造成的，但是与所采用的绝缘等级温度限值相比，仍有安全裕度；

2)电机整体、电机壳体和后端盖温度由下至上逐渐升高，符合自然散热的情况；靠近泵端部位温度低于后端温度，这是由于涡旋叶轮对电机有一定冷却作用；

3)研究表明，新研发的干式涡旋真空泵用单相供电特种电机的设计方案和控制方法是合理的，为新产品批量生产提供了科学依据。

[1] BA Dechun.The development trend of modern dry pump and application[C]//Proceedings of 2013 academic essays of Vacuum society in Guangdong province,2013，12(01):3.

[2] ZHANG Zhenhou.Proceedings of 2012 academic essays of Chinese Vacuum Society,2012.09.21:11.

[3] WANG Guangyu.Self-adapted control tchnology:realizethe concept of the intelligent dry vacuum pump[C]//Proceedings of the 11th international Conference on Vacuum Metallurgy and Surface Engineering,2013.09.22:29.

[4] 中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司.“耐腐蚀超洁净系列涡旋干式真空泵开发和应用”项目启动[EB/OL].http://www.sky.ac.cn/xxxxx.asp?bnm=&id=298&type= ,2014-04-02. SKY Technology Development CO.,LTD.Chinese Academy of Sciences.Project start of “Development and application of corrosion resistant and ultra clean series screw dry vacuum pump”[EB/OL].http://www.sky.ac.cn/xxxxx.asp?bnm=&id=298&type= ,2014-04-02.

[5] 安跃军，张强，李文瑞.新型移相式屏蔽电动机屏蔽套涡流与温升分析[J].西安交通大学学报,2014,48(6):50. AN Yuejun,ZHANG Qiang,LI Wenrui.Eddy losses and temperature rise on shielded can in canned motor with new phase-shifted structure[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2014,48(6):50.

[6] 张炳义，王森，冯桂宏.基于流固耦合的无人机主推进电机温度场研究[J].电机与控制学报,2014,18(6):116. ZHANG Bingyi,WANG Sen,FENG Guihong.Temperature field research for main propulsion motor of unmanned aerial vehicle based on fluid-solid coupled theory[J].Electric Machines and Control,2014,18(6):116.

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[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会.中华人民共和国国家标准GB 12350-2009 小功率电动机的安全要求[S]．北京：中国标准出版社，2010．

Temperaturefieldsimulationandexperimentofspecialmotorfordryscrollvacuumpump

AN Yue-jun1， ZHANG Zhen-hou2， ZHANG Qiang1，3， WANG Guang-yu2， LIU Zai-hang2

(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 110168,China;3.Department of Electric Power of Kunming Institute of precision machinery,Kunming 650100,China)

To solve the issue that the special electric motors single phase power supplied for the dry scroll vacuum pump burn up by the high temperature rise,this paper analyzes the temperature field of the motor with electron phase shifted operation mode through simulation calculation and experiment.It took the 2 L/s pumping speed dry scroll vacuum pump motor for instance.It established simulation model of the temperature field calculation using the finite element method,set up the heat excitation and thermal boundary conditions,and achieved temperature field distribution characteristics of various components inside the new motor.It carried out temperature rise experiment of dry scroll vacuum pump with single-phase power supply special motor,and obtained the key components′ time-variation characteristic curve from cold start to stable temperature rise.The result of the analysis and experiment shows that the temperature distribution of the new developed motor is reasonable; the highest temperature point in the motor is still in the safety margin,which can provide the scientific basis for new production.

special motors；dry scroll pump；temperature field；temperature rise experiment；vacuum pump

(编辑：刘素菊)

2016-09-18

国家科技重大专项(2017ZX02201005-002)；辽宁省科技计划项目(L2015272)

安跃军(1962—)，男，博士、教授，研究方向为特种电机及其控制； 张振厚(1962—)，男，学士、研究员，研究方向为真空技术； 张 强(1989—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为鱼雷电动推进技术； 王光玉(1973—)，男，学士，研究员，研究方向为真空技术； 刘在行(1982—)，男，学士，研究员，研究方向为真空技术。

张 强

10.15938/j.emc.2017.08.007

TM 301.4

:A

:1007-449X(2017)08-0048-05