循環泵屏蔽電機定子端部溫升過高數值計算

陳衛杰，苗立杰，丁樹業(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080)

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循環泵屏蔽電機定子端部溫升過高數值計算

陳衛杰，苗立杰，丁樹業
(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080)

摘要:為研究環流使屏蔽電機端部出現溫升過高的異常現象，以一臺5 000 kW的循環泵屏蔽電機為例，基于電磁場和溫度場的基本理論，建立電機三維電磁場和溫度場的數學模型，采用有限元方法，對電機端部磁密、溫升大小及分布進行計算和分析，明確環流是產生電機端部磁密過高及溫升異常的的直接原因。通過研究定子齒壓板及錐形環有環流分布及切斷環流分布兩種方案下磁場及溫度場的分布規律，改進了齒壓板的連接結構，使局部最高溫度由230℃降低至175℃，從而解決了溫升過高的問題。本研究可以對大容量電機在生產實踐中安全穩定地運行，減少和杜絕安全隱患提供參考價值。

關鍵詞:主循環泵;屏蔽電機;環流;電磁場;溫度場;有限體積法

苗立杰(1956—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為新能源發電技術，電機綜合物理場數值計算;

丁樹業(1978—)，男，博士，教授，碩士生導師，研究方向為電機綜合物理場數值計算及特種電機理論研究。

0　引言

核電是世界三大電力支柱之一，由于其具有燃料消耗量少、對環境影響小、功率大、發電成本低等優點，越來越成為當今世界上大規模可持續供應的主要能源之一，發展潛力巨大。

主循環泵屏蔽電機是核電站二次回路系統的重要組成部分。其安全穩定運行對冷卻堆芯及防止發生核電事故起著非常關鍵的作用。由于電機工作環境的特殊性及其本身密封的特點，其內部溫度分布及散熱情況十分復雜。本著“在確保安全的基礎上高效發展核電”的核工業發展方針，電機關鍵部件的安全穩定運行就顯得額外重要，因此需要對其進行研究。

在電機內的磁場、渦流場、溫度場、流體流動性能以及通風結構優化方面，國內外專家學者取得了顯著的研究成果［1－22］，國內學者梁艷萍、黃浩、張建濤等采用三維有限元法計算了大型空冷汽輪發電機在考慮渦流時，空載和滿載工況下端部電磁場的分布情況，以及雙屏蔽復合轉子電機在啟動及負載等工況下，定轉子屏蔽套及復合轉子部分的渦流分布［1－3］。丁樹業、孟凡東、葛云忠等采用有限體積法對核主泵屏蔽電機及1.5MW雙饋風力發電機內部流體場和溫度場進行了數值計算，得出了電機內冷卻空氣的速度分布及定、轉子股線、鐵心的溫度分布［4－5］。胡敏強、杜炎森等學者在求解溫度場的理論和汽輪發電機端部電磁場及溫度場等方面做了大量的研究工作［6］。

雖然專家學者在此領域取得了很多研究成果，但針對循環泵屏蔽電機出現溫升異常的情況，從理論和實踐等方面探究溫升過高的原因，提出合理解決辦法的研究上，還留有很大空白。

本文以一臺5 000 kW主循環泵屏蔽電機為例，在電機電磁、溫度場理論基礎上建立了電磁和溫度場計算模型。采用有限元方法對其進行了計算。求得電機在不同結構下損耗特性和溫度分布情況，通過對計算結果進行深入研究。指出環流是電機端部出現溫升過高的直接原因。通過對實驗結果的分析論證，改進其端部結構，從而排除故障隱患。

1　電路問題探究

1.1求解模型的確定

本文研究的異步電機為立式、水冷、鼠籠三相四極異步電動機，額定電壓6 000 V，額定功率5 000 kW。冷卻系統采用定轉子夾層通水的結構，定子端部被密封在惰性氣體腔內，其整體結構如圖1所示。

圖1　電機整體結構示意Fig.1 Structure diagram of wholemotor

電機在試驗時發現定子上端齒壓板表現出溫度異常偏高(約230℃)，且不穩定情況。電機耐熱級別為200℃。此種局部溫度過高的情況會引起絕緣迅速老化，影響電機壽命。

1.2分析原因

電機端部如圖2所示。

電機定子繞組的端匝和中心部位均處在旋轉磁場之中，在端匝處由于不完全與軸線垂直，存在軸向磁場和徑向磁場。電機運行時，軸向磁場平行軸線方向周向旋轉，指壓板的金屬齒受該旋轉磁場作用而產生感應電流，而指壓板因支撐環而聯通各金屬齒和外部機殼，形成感應電流－環流(環流流經路線如上圖2中虛線所示)，環流在指壓板上產生很大的電氣損耗和熱量，這些損耗和熱量在軸向長度上傳導路徑較短，熱量不能很好地導散出去，因此聚積起來出現局部部件溫度過高的現象。

圖2　電機端部放大結構示意Fig.2 The end region structure

基于以上分析，認為溫升過高的原因是齒壓板、支撐環與機座之間由于電氣接觸產生感應電流－環流，為解決齒壓板溫升偏高的問題，可采用如下方法:

A)減小壓板體積，采用高電阻率的壓板材料降低內部渦流損耗;B)用磁屏蔽或電屏蔽等措施減小渦流;C)在環流出現的環路中增加絕緣物質，阻斷環流流通路徑，降低環流損耗。

針對上述可行性方法，認為在齒壓板與錐形環之間增加絕緣材料，斷絕其電氣接觸，阻止環流產生，此種方法簡單宜行，符合工程實踐需要。

因此本文對齒壓板與錐形環間兩種不同的結構，即不加絕緣和增加絕緣結構分別建立了有限元模型，通過分析比較其磁密、損耗分布以及溫度場的分布來驗證方案的可行性。

2　磁場分析

2.1三維端部模型

圖3為電機端部結構件示意。

圖3　電機端部主要結構件示意Fig.3 The end region structuremain component chart

在端部結構中，結構件幾何結構差異較大，不同結構件的材料也各不相同。為簡化分析，在滿足工程實際情況的前提下，作如下假設［1－3］:

1)不考慮磁場高次諧波和位移電流的影響;

2)端部結構件如壓板、錐形環、封頭環、機殼法蘭的電導率和磁導率為常數、各向同性，忽略非線性效應。

3)定子鐵心由于其疊片式的結構使得磁場在其中產生的感應電流很小，視為非渦流區域，可以通過其他方式計算來得到其損耗值。

4)定子繞組為非渦流區，繞組中的電流不受外界磁場影響而變化。

根據以上假設，由麥克斯韋方程組可以得到三維瞬態渦流場的邊值問題:

在壓板、壓指、錐形環等渦流區域中，有

在定子鐵心、繞組等非渦流區中，有

式中［2］:JS為源電流密度;為復矢量磁位;為復標量電位;μ、σ分別為磁導率和電導率。

2.2計算結果及分析

2.2.1壓板與錐形環間有無絕緣時磁場分布

圖4顯示了額定工況下一個運行周期后的某時刻壓板與錐形環中磁場分布情況。

圖4　壓板磁場分布圖Fig.4 The distribution of finger platemagnetic field

從圖4可以看出，在壓板齒部，隨著半徑的減小，磁密在緩慢增加，靠近頂部位置，磁密達到了最大值。無絕緣時(如圖4(a))，齒頂部的磁密達到了齒根處磁密的5倍之多。增加絕緣后(如圖4(b))，齒壓板上的磁密整體值明顯降低，壓板齒頂部仍是磁密最高的區域，從齒部到根部，磁密逐漸降低。

由于環流的存在，壓板齒頂與錐形環接觸的部位出現磁密增大的情況，并且其接觸部分磁密值達到了最大。而壓指指部指向軛部部分以及錐形環的內緣指向外緣部分均出現了明顯的磁密梯度。

錐形環中磁場分布如圖5所示。

從圖5可以看出，由于與壓板的直接接觸，錐形環中的磁密分布在靠近定子壓板處呈現出磁場集中較大的區域，隨著錐形環長度加長，其向外滲入的深度明顯減小。

圖5　錐形環磁場分布圖Fig.5 The distribution of cone ringmagnetic field

從對比圖可見，增加絕緣后，錐形環的磁密明顯減小，而且磁密除內環前端較密集外，呈現出由內環向外環擴散的趨勢。

2.2.2壓板與錐形環間有、無絕緣時環流分布

如圖6所示，當壓板與錐形環間無絕緣填充時，齒壓板、錐形環之間由于電氣接觸而連接成為一個整體，這之間構成了環流流通的路徑，環流在齒壓板、錐形環間均勻流動，具有明顯的周期性。壓指與錐形環之間被一層絕緣完全隔開后，齒壓板中環流被切斷，只存在渦流，渦流在壓板指中雜亂無章的流動，沒有明顯的路徑和周期性。

圖6　齒壓板與錐形環間環流分布圖Fig.6 The circulation distribution of finger plate and cone ring

2.2.3壓板與錐形環間有、無絕緣時渦流分布

壓板中渦流損耗分布如圖7所示。由上圖7可見，無絕緣時，壓板損耗最大值出現在個別壓指上。由于環流的影響以及繞組產生的磁場繞端部旋轉的作用，在某一刻，壓板個別齒上出現了損耗最大值。此損耗的最大值會導致壓板局部溫升過高，且出現不穩定的情況;增加絕緣后，壓板的損耗隨之有效降低，而且其損耗出現位置有從齒部向軛部轉移的趨勢。

圖7　壓板中渦流損耗分布圖Fig.7 The eddy losse distribution of finger plate

錐形環中渦流損耗分布如圖8所示。

從圖8可見，錐形環的損耗熱量較未增加絕緣前減小了很多。而且損耗熱量除內環前端聚積了一部分外，呈現出熱量由內環向外環擴散的趨勢。這是由于切斷環流后，在端部漏磁場頻率不變的情況下，渦流損耗與板厚度的平方成正比，所以錐形環的損耗由內環向外環轉移了。

圖8　錐形環中渦流損耗分布圖Fig.8 The eddy losse distribution of cone ring

各部件損耗如表1所示。

表1　各部件損耗值Table 1 The losses of parts

由表1可見，在所有的損耗值中，定子機殼法蘭損耗很小，約占總損耗的0.3%，錐形環和壓板的損耗值分別占了總損耗值的58%和42%。這是溫度場溫度變化的主要影響因素。

從以上圖表數據可知，增加絕緣對減小端部部件的磁通密度以及損耗具有明顯的作用。特別是壓板上的渦流損耗值，在添加絕緣前后變化巨大。增加絕緣，端部結構件總的渦流損耗由76 kW下降至43 kW，減小了43%，尤其是齒壓板中的渦流損耗，由32 kW減小到8.5 kW，減小了3.7倍之多。可見增加絕緣有效地切斷了環流流通的路徑。作為溫度場計算的熱源輸入，這種損耗的變化為減小溫升提供了必要條件。

3　溫度場分析

3.1數學模型

3.1.1三維導熱方程

對電機內的穩態溫度場進行數值研究，由傳熱學基本原理可知，對穩態溫度場進行求解時，導熱方程去掉了時間項，簡化了方程求解的難度。同時選用三維穩態含熱源、各向異性介質的導熱控制方程，在笛卡爾坐標系下，三維導熱方程［4－7］可表示為如下形式:

式中:T為固體待求溫度，K;kx、ky、kz為求解域內各種材料沿x、y及z方向的導熱系數，W/(m·K);q為求解域內各熱源體密度之和，W/m3;ɑ為散熱表面的散熱系數，W/(m2·K);Tf為散熱面周圍流體的溫度，K。

3.2物理模型

由電機的結構對稱特點，建立電機半個軸向段，周向一齒和兩個半槽的定子部分模型。Z軸為軸向，環境溫度為300K。圖9為所建模型定子端部溫度場數值計算求解域，圖10為絕緣填加位置。

圖9　定子端部溫度場數值計算求解域Fig.9 Ending temperature field numerical calculation region of stator

圖10　絕緣位置圖Fig.10 Insulation position

3.2.1基本假設

為了合理簡化求解過程，本文做出以下基本假設［4－7］:

1)根據電機的結構特性，在整個圓周范圍內具有周期對稱特征，并且電磁損耗以及流體流動特性也具有周期對稱性;

2)由于主絕緣的隔熱作用，在研究端部結構的溫度場時，忽略其圓周方向的傳熱效應;

3)對電機端部的穩態溫度場進行數值研究，即控制方程中均不含有時間項;

4)忽略溫差造成的定子齒壓板和錐形環電阻率的變化。

3.2.2邊界條件

1)機殼及夾套外表面為散熱邊界條件，而齒壓板、錐形環與端部冷卻介質相接處的表面均為絕熱邊界條件。

2)定子齒壓板外邊界面均為絕熱面。

3.3計算結果及分析

3.3.1壓板與錐形環間有、無絕緣時溫度分布

其整體溫度分布如圖11所示。圖11為有、無絕緣結構時全域溫度分布圖。根據溫度分布特性以及數值計算結果可以看出，無絕緣時，全域最高溫升為219.6K，發生在壓指中下部，按照電機絕緣的溫升考核級別，此處溫升超出了限值。加絕緣后，溫升由219.6K降低至165.6K，與工廠溫升實驗所測溫升最高位置大體一致，完全符合了改進方案的預期。

圖11　全域溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution of whole region

為清晰展現齒壓板的溫升變化關系，給出其二維溫升變化圖。

從二維溫升分布圖12可見，圖12(a)壓指出現局部溫升過高的情況。加絕緣后，溫度得到了明顯的降低，而且局部過熱的現象消失了。圖12(b)溫升呈現出均勻、穩定的分布規律。這是由于切斷環流后，指壓板附近的損耗重新進行了分布。雖然壓板內部渦流損耗由于外部磁場的作用依然存在，但已經不是溫升過高的主要影響因素。溫升值由此減小了很多。

圖12　二維溫升分布圖Fig.12 the tem perature rise distribution of two-dim ension

另外，增加絕緣后，溫升雖然降低了很多，但絕緣阻礙了熱量從齒壓板向錐形環的傳導路徑。使得換熱效果變差一些。然而，增加絕緣的主要作用是切斷了由于環流存在而產生的附加熱源，損耗熱量降為原來的四分之一，溫升降低了54K，解決了主要矛盾，因此達到了改進方案的目的。

3.3.3兩種方案結果對比

由以上溫度分布圖以及對數值計算結果進行分析可知，不同方案下的溫度場溫度分布規律相似，最高溫升出現在壓指上。其最高溫升及溫升所在位置對比如表2所示。

表2　溫升所在位置對比表Table 2 the com parison of tem perature rise

3.3.4計算結果與實驗值比較

為驗證分析方法的合理性，電機運行時對端部溫升進行了試驗。即電機額定運行工況下，在定子壓板上安裝了熱電偶(TC)，放置在上下齒壓板上，每個齒壓板設定上、中、下三個測溫點，各測溫點之間相差120°。圖13標示了測溫元件1、2、3號熱電偶的埋設位置，忽略熱電偶絕緣溫差對測量數據造成的影響。

圖13　指壓板熱電偶安裝位置Fig.13 The thermocouple installation at finger plate

為使對比結果更加清晰，在電機耦合場的計算中提取了指壓板上、中、下三個位置處的溫升結果，與實驗電機指壓板相同位置處的最高溫升進行了對比。有限元仿真計算與真機實驗都以電機額定運行工況為基準，其結果見表3。為了更加形象的觀察改進方案的降溫效果，現根據表3數據列出溫升變化幅值直方圖如圖14所示。

表3　計算溫度與實驗溫度對比Table 3　Calculated temperature rise compared w ith the test temperature rise

圖14　改進方案與原始方案溫升對比直方圖Fig.14　the tem perature rise com parison histogram for im provement scheme and the original scheme

4　結論

本文通過對額定工況下5 000 kW異步電機定子齒壓板與錐形環電磁場、溫度場的數值計算及分析，得出如下結論:

1)從計算結果和實驗值的對比中發現，壓板與錐形環間不接觸時溫度相差9.4℃，誤差約為5%，;壓板與錐形環間接觸時溫度相差10.3℃，誤差約為4%，符合工程計算的需要。

2)在齒壓板與錐形環間增加一層絕緣后，阻斷了環流流通的路徑，一方面降低了壓板與錐形環間的磁通密度，另一方面減小渦流損耗，使局部溫升降低了54K。對于改善大容量電機局部部件的過熱現象具有十分重要的意義，也為工程實踐中解決環流問題提供了參考。

3)由電磁的原理可知，電場、磁場相互作用感應生成的環流是電機端部齒壓板溫升過高的原因，因此切斷環流流通的路徑是解決問題的關鍵。

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(編輯:劉素菊)

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

通訊作者:陳衛杰

作者簡介:陳衛杰(1974—)，女，博士研究生研究方向為電機綜合物理場數值研究;

基金項目:國家自然科學基金(51277045)

收稿日期:2014－02－12

中圖分類號:TM 343

文獻標志碼:A

文章編號:1007－449X(2016)02－0083－07

DOI:10.15938/j.emc.2016.02.012