干式真空泵的电机温度场分析和温升实验

　　论文分析了干式真空泵的电机温度场分析和温升实验，干式涡旋真空泵是一种旋转密封和气流通道中不适用任何液体的真空泵，所以也叫做无油真空泵，在科学仪器、半导体领域中有广泛的应用，干式真空泵的电机内部热问题如何进行改善，提高电机内旋转磁场的正弦化程度。论文进行了如下讨论。

　　关键词：机电工程师职称论文,机电真空泵,机电论文

　　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]。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220V，额定功率为180W，额定频率为60Hz，额定转速为1695r/min，0～60Hz为恒转矩运行，60～120Hz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。

　　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8.4W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IMPACIN15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。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。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2L/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。

　　作者：安跃军 张振厚 张强 王光玉 刘在行

　　推荐阅读：《机电产品开发与创新》(双月刊)创刊于1988年，是中国机械工业联合会(原机械工业部)主管、主办，由中国机械科学研究院承办，中国机械工程学会协办涉及技术、标准、产品开发与应用

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文章名称： 干式真空泵的电机温度场分析和温升实验

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