图1 真空泵屏蔽电动机三维模型
Fig.1 3D model for vacuum pump canned motor
安跃军1，殷福久1，王光玉2，孔祥玲2，张 宁2
(1.沈阳工业大学 电气工程学院，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，沈阳 110179)
摘 要：针对真空泵屏蔽电动机屏蔽套出现变形、开裂和泄漏导致光伏产业生产线真空度下降的工程问题，采用有限元分析法，对使用三种不锈钢材质屏蔽套的屏蔽电动机稳态温度场和热应力场进行分析.结果表明：屏蔽套采用Hastelloy-C材质时屏蔽套涡流损耗小，屏蔽电机各部件温度均低于采用Sus316L材质时的温度；屏蔽套采用Sus430导磁材质时屏蔽电动机损耗最小，在降低温升方面效果明显.采用Hastelloy-C和Sus430材质时，屏蔽套最大形变量比采用Sus316L时分别下降17%和19%，最大热应力分别降低12%和16%.因Sus430不锈钢价格低廉，且有很好的防腐性能，所以Sus430不锈钢比较适合真空泵屏蔽电动机.
关 键 词：真空泵；屏蔽电动机；涡流损耗；温度场；热应力场；热变形；热应力；不锈钢屏蔽套
真空泵具有完全密封、抽速大、真空度高及可直排大气等特点[1]，是营造光伏太阳能产业生产线环境的关键设备.由于真空泵屏蔽电动机定转子间金属屏蔽套在旋转磁场的作用下产生涡流损耗，进而发热引起屏蔽套温升和热变形，导致屏蔽套膨胀、起鼓甚至破裂和泄漏，影响太阳能光伏元器件的品质和成品率，因此，探寻改进方法和措施是亟待解决的实际工程难题[2].本文通过对使用三种不锈钢材质屏蔽套的屏蔽电动机做空载和负载实验，测量电机各部分损耗，并将其作为载荷添加到有限元软件Ansys workbench中进行电机温升、热形变和热应力的仿真分析.研究结果为提高真空泵的安全性和可靠性提供了借鉴[3-4].
1.1 屏蔽电动机三维模型
采用有限元软件Ansys workbench中稳态温度场模块对样机工作条件下的温度场进行求解.样机为2极2.2 kW真空泵屏蔽电动机，额定电压380 V，额定工作频率50 Hz，极限真空度0.5 Pa，机壳内存在水冷系统，冷却水温度20℃.屏蔽电动机三维模型如图1所示.
图1 真空泵屏蔽电动机三维模型
Fig.1 3D model for vacuum pump canned motor
1.2 温度场模型的数学描述
根据传热学理论，屏蔽电动机内温度场问题可用三维热传导方程[5]表示为
(1)
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；α为S2面的散热系数；K为S1和S2面法向导热系数；Kx、Ky、Kz为电动机各介质x、y、z方向的导热系数.
当温度稳定之后，式(1)第一项的右端变为∂t/∂τ=0，可得到求解三维稳态温度场的数学模型[6].
1.3 温度场载荷与边界条件
通过对使用Sus316L、Hastelloy-C和Sus430三种不锈钢材质屏蔽套的屏蔽电动机做空载和负载实验测量电机各部分损耗，并将损耗作为热负荷加载到温度场模型中.屏蔽电动机实验平台如图2所示.屏蔽套材料属性及相关损耗数据如表1所示.
图2 真空泵屏蔽电动机实验平台
Fig.2 Experiment platform of vacuum pump canned motor
表1 屏蔽套材料属性及电机各部分损耗
Tab.1 Material properties of can and losses of various components of motor
三种屏蔽套材料中，Sus316L是工程中常用不锈钢材料；Hastelloy-C合金钢在化工领域和高温环境中被广泛应用；Sus430是专利“一种屏蔽套”技术中典型的导磁型不锈钢.温度场模型的边界条件如下：
1) 电机转子处于真空环境中，不考虑热辐射引起的热量交换，认为式(1)中S1绝热边界面为屏蔽套内表面，S2散热边界面为螺旋水道表面.
2) 通过计算螺旋水道散热系数，将水冷系统散热能力等效为水道散热系数.在紊流状态下流体受迫流动准则方程[7]为
Nu=0.023Re0.8Pr0.4
(2)
式中：Nu为怒赛尔特准则，Nu=α0dwet/λ；Re为雷诺准则，Re=μdwet/ν；Pr为普朗特准则，Pr=ν/a，a=λ/ρcp；α0为散热系数；dwet为水道当量直径；λ为流体热导；μ为流体速度；ν为流体流动粘度；ρ为流体密度；cp为流体比热容.水道截面为15 mm×6 mm，冷却水流速为1.5 m/s，计算得到水道散热系数α=6 802 W·(m2·℃)-1.
3) 绕组端部表面散热环境设置为停滞空气.
1.4 温度场计算与结果分析
以Sus316L不锈钢屏蔽套屏蔽电动机为例，温度场分析结果如图3、4所示.
图3 Sus316L屏蔽套屏蔽电动机温度分布
Fig.3 Temperature distribution of canned motor with Sus316L can
图4 Sus316L屏蔽套温度分布
Fig.4 Temperature distribution of Sus316L can
由图3可以看出：屏蔽电动机温度特征为由内向外逐渐降低.由于屏蔽电动机采用水冷冷却方式，机壳温度最低，平均温度为33℃，仿真初始温度为30℃.绕组端部处于静止空气中，散热能力差，使得绕组端部温度最高，达到了103℃.
由于导体本身具有阻抗，将屏蔽套涡流损耗转化成了热能[8]，因此屏蔽套热源为与定子相对应位置感应出的涡流损耗.由图4可以看出：屏蔽套上处于定子铁芯边缘和定子槽口对应的区域散热能力差，温度较高，最高温度约为56.4℃.屏蔽套中间与定子齿接触部分，热量除了通过屏蔽套自身向前后端盖传递，还可以以热传导的方式经过定子铁芯向机壳传递，因此温度相对较低.图5、6为Hastelloy-C屏蔽套和Sus430屏蔽套的温度分布.
图5 Hastelloy-C屏蔽套温度分布
Fig.5 Temperature distribution of Hastelloy-C can
图6 Sus430屏蔽套温度分布
Fig.6 Temperature distribution of Sus430 can
为对比Sus316L、Hastelloy-C和Sus430不锈钢屏蔽套屏蔽电动机温度分布，将分析结果整理为表2.
表2 各部件最高温度
Tab.2 Highest temperature of each component ℃
采用电阻法测量绕组温升，测量结果为相绕组的平均温升，实验时室温为30℃.整理实验结果和仿真结果如表3所示.
表3 绕组温升测量结果
Tab.3 Measured results of temperature rise of windings
由表2、3可以看出：实验结果和仿真结果相差不大，具有重要参考价值；电机转子处于散热能力较差的真空环境，转子鼠笼和转子铁芯温差较小；Hastelloy-C屏蔽套涡流损耗小，屏蔽套最高温升较Sus316L屏蔽套低3℃，屏蔽电机各部件温度均低于采用Sus316L屏蔽套时的温度；采用Sus430导磁屏蔽套时屏蔽电动机损耗最小，温升最低.可见，Sus430屏蔽套在抑制电机温升方面效果最好.
由于不锈钢热胀冷缩的性质，屏蔽套温升必然造成膨胀形变以及膨胀带来的应力.在不受任何约束的情况下，物体形变量与温升关系为
ΔL=α1L0(t1-t0)
(3)
式中：ΔL为物体膨胀量；α1为热膨胀系数；L0为物体原长；t1为升高后的温度；t0为初始温度.
从式(3)中可以看出，在没有约束的情况下，屏蔽套必定会受热发生膨胀，但是真空泵屏蔽电动机采用密封结构，屏蔽套与定子铁芯紧密接触且两端与端盖焊接，屏蔽套热膨胀形变受到抑制，由此产生的热应力可能造成屏蔽套的起鼓开裂，甚至泄漏.所以对于真空泵屏蔽电动机屏蔽套的形变以及产生的应力进行准确计算变得十分重要[9].
2.1 屏蔽套热应力数学描述
根据现行热应力理论，可将弹性力学中的胡克定律推广到热应力问题上，得到屏蔽套热应力问题的有限元关系式[10]为
(4)
式中：εx、εy、εz为x、y、z方向上的应变；σx、σy、σz为x、y、z方向上的正应力；E为物体的弹性模量；μ0为泊松比；β为线性膨胀系数.
2.2 屏蔽套热形变与热应力分析
为准确描述屏蔽套的形变以及产生的热应力，将已达稳态温度场的计算结果导入到应力场中，用有限元软件进行仿真计算并进行可视化展示.
应力计算需要设置材料的密度、热膨胀系数、弹性模量及泊松比等物理参数，Sus316L、Sus430不锈钢及Hastelloy-C合金钢的相关物理属性如表4所示.
表4 应力场材料属性
Tab.4 Material properties of stress field
图7、8为Sus316L屏蔽套的热形变和热应力仿真图.
图7 Sus316L屏蔽套的热形变
Fig.7 Thermal deformation of Sus316L can
由图7可以看出，受到端盖和定子铁芯的约束，屏蔽套两端和中部部位形变量较小.由于冷却水从电机前端盖进入螺旋水道，所以前端盖较厚，对屏蔽套的约束大，造成屏蔽套前端盖方向形变偏小.绕组端部对应位置下的屏蔽套由于没有径向支撑形变量最高，达到0.036 mm.
由图8可看出，受定子铁芯的约束，屏蔽套中间区域膨胀受到抑制，使得屏蔽套与定子铁芯边缘接触区域的应力达到205 MPa，在后端盖焊接区域，屏蔽套膨胀造成的应力最大，达到241 MPa.
图8 Sus316L屏蔽套的热应力
Fig.8 Thermal stress of Sus316L can
图9～12为Hastelloy-C合金钢和Sus430不锈钢屏蔽套的热形变和热应力仿真图.
图9 Hastelloy-C屏蔽套的热形变
Fig.9 Thermal deformation of Hastelloy-C can
图10 Hastelloy-C屏蔽套的热应力
Fig.10 Thermal stress of Hastelloy-C can
图11 Sus430屏蔽套的热形变
Fig.11 Thermal deformation of Sus430 can
图12 Sus430屏蔽套的热应力
Fig.12 Thermal stress of Sus430 can
Hastelloy-C合金钢屏蔽套最大应力同样发生在与后端盖焊接区域，最大应力为212 MPa，屏蔽套与定子铁芯边缘接触区域应力达到202 MPa；Sus430屏蔽套与后端盖焊接区域最大应力为203 MPa，与定子铁芯边缘接触区域应力达到189 MPa.
三种材料屏蔽套的最大热应力与热形变量对比结果如表5所示.
表5 屏蔽套热形变和热应力对比
Tab.5 Comparison in thermal deformation and thermal stress of cans
Hastelloy-C合金钢和Sus430不锈钢屏蔽套最大形变量比Sus316L不锈钢屏蔽套分别下降17%和19%，最大热应力分别降低12%和16%.采用Hastelloy-C合金钢屏蔽套和Sus430不锈钢屏蔽套均有益于提高真空泵运行稳定性和可靠性.通过表4、5可知，三种材料屏蔽套稳态时最大热应力均未超过材料屈服强度，其中Hastelloy-C合金钢屏蔽套因材料力学性能较好，安全余量大，但是Hastelloy-C合金钢价格较贵，会降低其竞争力.Sus430不锈钢屏蔽套最大热形变量与热应力最小，且电机损耗小，效率高，有利于节约能源，因此，Sus430不锈钢屏蔽套更适合真空泵屏蔽电动机.
本文通过实验测得Sus316L、Hastelloy-C和Sus430三种材料屏蔽套屏蔽电动机的各部件损耗，利用有限元软件Ansys workbench分析了屏蔽电动机温度场与应力场，得出了真空泵屏蔽电动机温度、热形变、热应力分布特性.屏蔽电动机采用机壳水冷冷却方式，温度特征为沿径向由内向外逐渐降低，绕组温度最高，机壳温度最低.屏蔽套上处于定子铁芯边缘处和定子槽口对应区域散热能力差，温度较高.Hastelloy-C屏蔽套损耗小，屏蔽套最高温升较Sus316L屏蔽套低3℃，其他部件温度均低于Sus316L屏蔽套屏蔽电动机.采用Sus430导磁型屏蔽套的屏蔽电动机损耗最小，各部件温度均为最低，可见，Sus430屏蔽套在抑制电机温升方面效果最好.
采用Hastelloy-C合金钢屏蔽套和Sus430不锈钢屏蔽套均有益于提高真空泵运行稳定性和可靠性，但是Hastelloy-C合金钢材料价格较贵，电机制造成本高.Sus430不锈钢屏蔽套屏蔽电动机损耗小，效率高，在节约能源方面效果显著；此外，Sus430不锈钢价格低廉，且有很好的防腐性能，因此，Sus430不锈钢屏蔽套比较适合真空泵屏蔽电动机的产业化生产.
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(责任编辑：景 勇 英文审校：尹淑英)
AN Yue-jun1,YIN Fu-jiu1,WANG Guang-yu2,KONG Xiang-ling2,ZHANG Ning2
(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 110179,China)
Abstract：To solve the engineering problems such as the vacuum degree decline in photovoltaic industry production line caused by the deformation,cracking and leakage in the can of vacuum pump canned motor,the steady temperature field and thermal stress field of vacuum pump canned motor with three stainless steel cans were analyzed with the finite element analysis method.The results show that the Hastelloy-C can exhibits small eddy current loss,and the temperature of various components of canned motor is lower than that of canned motor with Sus316L can.The canned motor with the can made by Sus430 permeability material has the minimum loss,and shows obvious effect in the aspect of reducing temperature rise.Compared with the Sus316L can,the maximum thermal deformation of both Hastelloy-C can and Sus430 can decrease by 17% and 19%,respectively.Meanwhile,the maximum thermal stress decreases by 12% and 16%,respectively.Due to the low price and good anticorrosion performance,the Sus430 stainless steel is suitable for the vacuum pump canned motor.
Key words：vacuum pump; canned motor; eddy current loss; temperature field; thermal stress field; thermal deformation; thermal stress; stainless steel can
收稿日期：2015-11-25.
基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项基金资助(2013YQ240421).
作者简介：安跃军(1962-)，男，吉林长春人，教授，博士，主要从事特种电机及其控制等方面的研究.
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.01
中图分类号：TM 301
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2016)02-0121-06
*本文已于2016-03-02 16∶48在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.050.html
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