高速屏蔽電機渦流與水摩損耗試驗

程 誠，王浩明，李小芳，林慶國

(上海空間推進研究所 上?？臻g發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

近年來，隨著高能電池、高速電機和總體電控集成等技術的迅猛發展，電動泵增壓供應技術在液體火箭發動機領域的應用被高度重視并得到研究[1-4]。典型代表是，美國火箭實驗室公司(Rocket Lab)電子號小型運載火箭(Electron)的一級和二級上使用的電動泵壓式盧瑟福發動機(Rutherford Engine)，已助力Electron火箭完成了3次商業發射，成為全球首個投入使用的電動泵發動機。電動屏蔽泵的電機與泵同軸連接，處于一個壓力容腔內，結構緊湊，取消了動密封結構，并采用傳送介質進行軸承潤滑及電機冷卻，廣泛應用于石油化工、核電和航天領域[5-6]，尤其是在輸送易燃易爆、腐蝕性或者有毒介質時具有明顯的優勢，因此成為電動泵發動機的首選方案[7]。

值得注意的是，電動屏蔽泵因定子屏蔽套在電機工作時會生成感應渦流，從而造成較大的渦流損耗；同時，電機轉子在介質中轉動也會造成較大的水摩損耗。因此，屏蔽電機的運行效率往往低于常規電機。對于渦流和水摩這兩項損耗，研究人員主要通過解析法、有限元法以及試驗等手段進行研究。其中，渦流損耗的分析研究主要包括：建立數學模型提出理論解析解[8]，基于有限元方法進行不同屏蔽套材料以及氣隙結構影響分析[9-11]，試驗測量[12-13]等；水摩損耗的研究較少，主要是基于圓柱表面摩擦理論并結合有限元方法進行仿真分析，以此提出了相應的理論或半經驗計算公式[14-16]。

目前成熟應用的屏蔽電機轉速一般不超過7 500 r/min，隨著屏蔽電機往高速化、小型化方向發展，在轉速不斷提高以及電機結構更加緊湊等情況下，現有的電機損耗經驗公式是否適用存在較大疑問。尤其是，按照目前的理論，屏蔽電機的渦流損耗和水摩損耗隨著電機轉速增加而大幅增大，特別是在10 000 r/min以上的高轉速工況下，這兩項損耗尤其突出。因此，研究高速屏蔽電機的渦流損耗和水摩損耗對優化屏蔽電機設計以及進一步提高電機效率具有重要的意義。本文設計了一臺額定功率7.5 kW、額定轉速15 000 r/min的高速屏蔽電機，通過搭建的測試平臺對屏蔽電機的渦流損耗和水摩損耗進行了試驗分析，并對減小高速屏蔽電機損耗、提高電機運行效率提出了建議。

1 高速屏蔽電機

1.1 試驗電機

為了研究高速屏蔽電機在運行過程中的渦流損耗和水摩損耗，設計了一臺額定功率7.5 kW、額定轉速15 000 r/min的高速屏蔽電機，如圖1所示。試驗電機主要由定子、轉子、定子屏蔽套、轉子屏蔽套、角接觸陶瓷球軸承和電機殼體構成，定子采用超薄硅鋼鐵心材料、低諧波繞組方案，轉子采用耐高溫釤鈷永磁體、兩對極表貼方案，定/轉子屏蔽套均采用304不銹鋼材料(電阻率73 μΩ·m)。高速屏蔽電機的主要結構及性能參數如表1所示。

表1 試驗高速屏蔽電機主要結構及性能參數

Tab.1Main structure and performance parametersof the test high-speed shielded motor

參數/單位數值定子鐵心長度/mm100.00定子內徑/mm49.60轉子屏蔽套長度/mm110.00轉子外徑/mm47.80定子屏蔽套厚度/mm0.90氣隙磁密/T1.21額定功率/kW7.50額定轉速/(r·min-1)15 000.00

1.2 電機渦流損耗

屏蔽電機的定子屏蔽套在空間上是固定的，受到氣隙旋轉磁通的切割而產生損耗，由于屏蔽套采用非磁性材料，因此損耗中僅包含渦流損耗而沒有磁滯損耗。轉子屏蔽套隨電機轉子一起轉動，旋轉磁通對其切割的頻率很低，由磁通切割引起的渦流損耗可以忽略不計。渦流損耗[13-14,17-19]

K=1/(1.8+τ/L1)

(1)

K=0.8～0.9

(2)

(3)

k1=0.8～0.9,kp=1/(2c)

(4)

式中：Bg為氣隙磁密，T；n為轉速，r/min；δ為屏蔽套厚度，cm，L1為定子鐵心長度，cm；D1為定子內徑，cm；ρ為屏蔽套材料電阻率，Ω·cm；τ為極距；c為極對數。不同計算公式的形式基本相同，主要差異在于經驗系數的選取。

1.3 電機水摩損耗

屏蔽電機的轉動部件完全浸沒在冷卻介質中(如圖1(a)所示)，由于轉子轉速很高，摩擦面積大，所以其摩擦損耗相當可觀。屏蔽電機的水摩損耗(Pe)包括轉子旋轉的介質摩擦損耗、軸承損耗及其他機械損耗，常用經驗計算公式[13]

k=1.15(水)

(5)

式中；L2為轉子屏蔽套長度，cm；D2為轉子外徑，cm；n為轉速，r/min。式中經驗系數的選擇僅考慮了介質種類的影響，沒有體現冷卻介質流動狀態造成的影響。

2 試驗系統

高速屏蔽電機濕式空載試驗系統如圖2所示，主要包括試驗電機、智能驅動控制器、高速電機安裝平臺、冷卻水循環系統、高速電機三相電參數測試儀和智能單回路測試儀等。為了扣除電機常規損耗對試驗結果的影響，設計了2臺定、轉子結構完全相同的高速屏蔽電機和高速電機，兩者唯一的區別在于有、無定子屏蔽套。智能驅動控制器選用蘇州匯川技術有限公司MD500ET30G-HP產品，通過調節驅動器的輸出頻率來精確控制電機的轉速；高速電機三相電參數測試儀選用青島青智8962C2產品，能夠采集電機工作時的電壓、電流、有功功率、功率因素等參數；智能單回路測試儀主要用于采集冷卻水溫度和電機振動頻率等參數。

圖2 高速屏蔽電機濕式空載試驗系統Fig.2 Test system of high-speed shielded motor in wet and no-load condition

為將渦流損耗和水摩損耗從屏蔽電機的各項損耗中區分開來，將試驗電機總損耗分成3部分：①常規損耗，包括鐵損、銅損、機械損耗及雜散損耗等；②定子屏蔽套渦流損耗；③水摩損耗。因此，通過對電機是否有定子屏蔽套和是否注水的不同試驗結果進行對比，可以得到各項損耗的數值。本文主要的試驗內容包括：無定子屏蔽套電機在不同轉速下的損耗測量，得到常規損耗，計為P1；屏蔽電機不注水情況下(干式)的損耗測量，得到電機損耗P2；屏蔽電機注水情況下(濕式)的損耗測量，得到電機損耗P3。由此，可以計算得到高速屏蔽電機的定子屏蔽套渦流損耗Pw和水摩損耗Pe

(6)

3 結果與分析

無定子屏蔽套電機以及屏蔽電機在干式和濕式條件下的電機損耗測量結果如表2所示(濕式工況的冷卻水流量為120 g/s)。從表中數值可以發現，高速電機無定子屏蔽套時，測得額定轉速15 000 r/min下的電機效率為約96.7%。屏蔽電機渦流損耗和水摩損耗均隨著電機轉速的上升而增大，低轉速情況下，常規損耗占主導(占比約56%)；高轉速情況下，渦流損耗和水摩損耗逐漸成為主導，兩項損耗占總損耗的90%以上，如圖3所示。

表2 高速屏蔽電機損耗測量結果

圖3 不同轉速下高速屏蔽電機各部分損耗占比Fig.3 Loss ratio of each part of the test high-speed shielded motor at different rotational speeds

圖4和圖5分別給出了高速屏蔽電機在不同轉速下的渦流損耗和水摩損耗試驗測量值與經驗公式計算結果的對比。可以看出，定子屏蔽套的渦流損耗隨著屏蔽電機轉速的升高而增大；當電機轉速小于12 000 r/min時，試驗結果在經驗公式的預測范圍內；當電機轉速進一步增加時，公式預測值偏大，可見已有的經驗系數在高轉速條件下已經不再適用。

屏蔽電機的水摩損耗同樣隨著轉速的升高而增大，與經驗公式預測趨勢一致。試驗值和公式計算結果存在一定差異，主要原因是經驗公式無法準確描述電機轉子的具體結構。除電磁氣隙外，轉子兩端軸承及前后過渡段同樣存在水摩損耗，因此試驗值比公式計算結果偏大。在高轉速情況下，電磁氣隙處的水摩損耗占總水摩損耗的比例變大，此時試驗值與經驗公式計算結果比較接近。

圖4 渦流損耗與轉速的關系Fig.4 Relationship between eddy current loss and rotational speed

圖5 水摩損耗與轉速的關系Fig.5 Relationship between water friction loss and rotational speed

圖6給出了不同轉速及試驗工況下電機效率的變化曲線。從圖中可以看到，高速屏蔽電機在無定子屏蔽套的情況下，額定轉速15 000 r/min時電機效率在96%以上；安裝定子屏蔽套后，由于渦流損失，電機額定轉速下的效率降至約81%；在進行濕式試驗時，電機轉子與試驗介質的摩擦損耗導致額定轉速下電機效率進一步降至約72%。由此可見，屏蔽電機的渦流損耗和水摩損耗對電機效率影響較大，即使對于電磁設計較好的高速電機，這兩項損失仍然會導致電機性能出現較大幅度的下降。

圖6 屏蔽電機效率隨轉速的變化Fig.6 Relationship between shielded motor efficiency and rotational speed

4 結論

設計了一臺額定功率7.5 kW、額定轉速15 000 r/min的高速屏蔽電機，通過搭建屏蔽電機濕式空載試驗系統對電機的渦流損耗和水摩損耗進行了試驗分析。試驗結果表明，由于定子屏蔽套的渦流損耗和轉子與冷卻介質間的水摩損耗對屏蔽電機的效率影響較大，即使電磁設計較優的高速電機在加入屏蔽套后效率仍然下降約20%～30%。通過試驗結果與電機損耗計算公式對比可見，目前的損耗預估公式都屬于半經驗公式，參數的選取直接影響計算結果的準確性；為進一步提高高速屏蔽電機的運行效率，仍然需要從以下方面進行改進：①減小定子屏蔽套厚度；②選用高電阻率的屏蔽套材料；③較小的轉子直徑；④減小電磁氣隙長度。