干式渦旋真空泵用特種電機溫度場仿真與實驗

安躍軍， 張振厚， 張強,3， 王光玉， 劉在行

(1.沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司真空干泵事業部，遼寧 沈陽 110168；3.昆明精密機械研究所電動力研究室，云南 昆明 650100)

干式渦旋真空泵用特種電機溫度場仿真與實驗

安躍軍1， 張振厚2， 張強1,3， 王光玉2， 劉在行2

(1.沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司真空干泵事業部，遼寧 沈陽 110168；3.昆明精密機械研究所電動力研究室，云南 昆明 650100)

針對單相電源供電干式渦旋真空泵用特種電機溫升過高經常燒毀的問題，對采用電子移相方式運行的新研發電機的溫度場進行仿真計算和實驗分析。以抽速為2 L/s的干式渦旋真空泵電機為例，利用有限元分析法建立其溫度場計算的仿真模型，設置熱源激勵和散熱邊界條件，獲得了新研發電機內部各個部件溫度場分布特征；對研發的單相電源供電干式渦旋真空泵用特種電機進行溫升實驗，獲得了從冷態起動到溫升穩定過程中關鍵部件溫度隨時間變化特性曲線。溫度場分析和實驗結果表明，所研發電機溫度分布合理，電機內最高溫度點的溫升尚有安全裕度，為新產品批量生產提供了科學依據。

特種電機；干式渦旋泵；溫度場；溫升實驗；真空泵

0 引 言

干式渦旋真空泵又稱為無油真空泵，旋轉密封和氣流通道中不使用任何油類和液體，是一種無油和高效獲得超高清潔真空的先進技術和設備。其主要應用行業有：科學儀器、半導體制備、真空冶金、醫療設備、生物制品、光伏器件生產線、醫藥食品包裝行業等[1-3]。

國家科技部《科技條件十二五規劃專項》中將“加強真空泵、真空系統等科學儀器設備關鍵部件和配套系統的研發和應用“確定為我國十二五期間重大科學儀器設備開發的重要任務之一。本課題組承擔了國家重大科學儀器設備開發專項“耐腐蝕超潔凈系列渦旋干式真空泵開發和應用”(項目編號2013YQ240421)，項目的實施益于提高我國高端科學儀器如質譜類、光譜類、電鏡類儀器的質量水平，為營造超高潔凈的真空環境提供設備保障[4]。

干泵特種電動機是直接影響干式真空泵性能指標和壽命的動力核心，是該重大專項中關鍵技術之一。本文工作的要求在于：①將三相供電改為單相電源供電，不增大電機體積且功率不變；②為了美觀，單相電源供電時，干泵驅動電機殼體上不能背電容器或者電阻器；③為確保真空度，電動機沒有設置軸驅風扇，導致電機的全封閉外殼處于自然冷卻。現有電動機情況是，背裝電容器影響了美觀，關鍵是電機內負序旋轉磁場的存在增加了損耗和發熱，同時由于沒有冷卻風扇和電機定、轉子運行在密閉真空環境中，導致溫升過高，經常燒毀電機，故障頻發；該工程實際問題亟待研究和解決，本文采用電子移相方法(這部分內容擬另文發表)構造控制器將單相電源電壓進行轉換后施加到電機繞組來消除負序磁場的作用，以提高電機內旋轉磁場的正弦化程度。

為了說明電機內部熱問題的改善效果，本文以抽速為2L/s干式渦旋真空泵用單相電源供電特種電機為例，建立溫度場有限元仿真模型，結合工程實際確定基本假設、設置熱源激勵和散熱邊界條件，分析新研發電機內部部件溫度場分布特征；同時，對新研發的單相電源供電干式渦旋真空泵用電子移相式特種電機進行了溫升實驗。本文涉及的干式渦旋真空泵用單相特種電機已實現量產，裝備到可替代進口的高品質真空泵產品。

1 干式真空泵電機溫度場分析

1.1 電機內溫度場數學模型

根據傳熱學基本理論，電動機內的穩態溫度場可以通過三維導熱方程式(1)加以描述[5-7]。

(1)

式中：T為溫度(℃)；q為熱源密度(W/m3)；c為比熱容；γ為密度(kg/m3)；τ為時間(s)；S1為電動機絕熱邊界面；S2為電動機散熱邊界面；Te為S2周圍介質的溫度(℃，時間的函數)；α-S2面的散熱系數(W/(mm2·℃))；K為S1和S2面法向導熱系數(W/(mm2·℃))；Kx、Ky、Kz為電動機各介質x、y、z方向的導熱系數。當溫度穩定后，?T/?τ=0，可得到三維穩態溫度場的數學模型[5]。

1.2 電機內溫度場數值計算

以抽速為2 L/s干式渦旋真空泵用單相電源供電電子移相式特種電機為例，防護等級IP54，冷卻方式為IC410，采用F級絕緣，工作制為S1，分析溫度場分布特征，該特種電機結構如圖1所示。

單相電源供電干式渦旋真空泵用電子移相式特種電機技術參數：額定電壓為220 V，額定功率為180 W，額定頻率為60 Hz，額定轉速為1 695 r/min，0～60 Hz為恒轉矩運行，60～120 Hz為恒功率運行。

為了合理簡化計算過程，給出求解區域的基本假設和邊界條件如下：

基本假設：槽絕緣與槽壁之間的熱性能參數取二者等效值、電子移相控制器的發熱按照比損耗方法等效。

邊界條件：定子部件和轉子部件內部零件間是熱傳導邊界，定子部件與轉子部件間隙是流體散熱邊界，因無風扇冷卻故機殼表面為空氣自然散熱面邊界；有限元熱計算的環境溫度與樣機溫升實驗時的環境溫度一致，設為22.5℃，以便對比。

圖1 單相供電電子移相式特種電機結構Fig.1 Structure of single phase power electronic phase shifted special motor

熱源設置：將前期電磁場有限元分析得到的各項損耗分別賦值給各個發熱部件，如滿載時定子繞組銅耗57W、轉子繞組銅耗22W、定子鐵心損耗8.4 W和機械雜散損耗14.7W，忽略比例很小的轉子鐵耗。

考慮到真空環境下轉子散熱條件差，熱膨脹比普通電機大的因素，電機氣隙較普通電機要大一些，電機激磁電流分量增加，故定子繞組銅耗比定子鐵耗高。

為清楚地觀察和了解到電機各個部件的溫度分布特征，為后續電機改進設計提供參考，將通過有限元數值計算得到該特種電機各部件溫度分布圖依次展示，如圖2至圖8所示；并獲取各個部件的最高溫度值，如表1所列。可見，在電機內部定子繞組溫度最高，為79.2 ℃，是由于定子繞組的銅耗較大和散熱條件較差造成的。

2 干式真空泵電機溫升實驗

為了驗證新研發特種電機設計方案的合理性和有限元熱分析的正確性和準確性，本文對所研發的抽速為2L/s干式渦旋真空泵用單相電源供電電子移相式特種電機，進行負載溫升實驗，實驗環境溫度為22.5℃；對于以往經常燒壞的定子繞組溫度采用pt100熱傳感器測量，對于機殼外表面溫度利用IMPAC IN15型手持溫度儀測量，實時記錄溫度變化，溫度測試結果如圖9所示。

圖2 干式渦旋真空泵特種電機整體溫度分布Fig.2 Temperature distribution of the whole special motor for the dry screw vacuum pump

圖3 干式渦旋真空泵特種電機外殼溫度分布Fig.3 Temperature distribution of the special motor stator’s casing for the dry screw vacuum pump

圖4 干式渦旋真空泵特種電機后端蓋溫度分布Fig.4 Temperature distribution of the special motor’ endhousing for the dry screw vacuum pump

圖5 干式渦旋真空泵特種電機定子鐵心溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the special motor’ stator core for the dry screw vacuum pump

圖6 干式渦旋真空泵特種電機定子繞組溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the special motor’ windings for the dry screw vacuum pump mp

圖7 干式渦旋真空泵特種電機轉子溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the special motor’s rotor for the dry screw vacuum pump

實驗數據與有限元溫度場計算結果對比可見，定子繞組溫度測試值為81.5℃，有限元計算值為79.2℃；機殼溫度實驗測試值為53.6℃，有限元計算值為59.4℃。以實驗值為基準的相對差分別為2.8%和10.8%。實驗值與計算值的差別除了有限元計算時一些假設和等效處理外，由于干式渦旋真空泵運行時渦旋葉輪會使空氣產生流動，有輔助機殼散熱的效果，而有限元計算時假設機殼是空氣自然散熱，故機殼部位溫度實驗值比計算值低。

圖8 干式渦旋真空泵特種電機軸與軸承溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the special motor’shaft and bearing for the dry screw vacuum pump

主要部件最高溫度/℃機殼59.4后端蓋57.6定子鐵心71.6定子繞組79.2轉子鐵心、鼠籠66.6轉軸、軸承65.6

圖9 干式渦旋真空泵特種電機溫升實驗曲線Fig.9 Experiment temperature rise curve of the special motor for the dry screw vacuum pump

通過有限元計算和溫升實驗，得到電動機最熱部件繞組的溫升分別為56.7K 和59K，與F級絕緣等級繞組溫升限值115K相比，還有較大裕度[8]。

3 結 論

通過對抽速為2 L/s的干式渦旋真空泵用單相供電特種電機溫度場有限元計算和樣機溫升實驗，得到如下結論：

1)滿載工況下，電機內最高溫度點發生在定子繞組端部，是由于定子繞組的銅耗相對較大和散熱條件較差造成的，但是與所采用的絕緣等級溫度限值相比，仍有安全裕度；

2)電機整體、電機殼體和后端蓋溫度由下至上逐漸升高，符合自然散熱的情況；靠近泵端部位溫度低于后端溫度，這是由于渦旋葉輪對電機有一定冷卻作用；

3)研究表明，新研發的干式渦旋真空泵用單相供電特種電機的設計方案和控制方法是合理的，為新產品批量生產提供了科學依據。

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[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] 中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司.“耐腐蝕超潔凈系列渦旋干式真空泵開發和應用”項目啟動[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.

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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

(編輯：劉素菊)

2016-09-18

國家科技重大專項(2017ZX02201005-002)；遼寧省科技計劃項目(L2015272)

安躍軍(1962—)，男，博士、教授，研究方向為特種電機及其控制； 張振厚(1962—)，男，學士、研究員，研究方向為真空技術； 張 強(1989—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為魚雷電動推進技術； 王光玉(1973—)，男，學士，研究員，研究方向為真空技術； 劉在行(1982—)，男，學士，研究員，研究方向為真空技術。

張 強

10.15938/j.emc.2017.08.007

TM 301.4

:A

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