論文分析了干式真空泵的電機(jī)溫度場分析和溫升實驗，干式渦旋真空泵是一種旋轉(zhuǎn)密封和氣流通道中不適用任何液體的真空泵，所以也叫做無油真空泵，在科學(xué)儀器、半導(dǎo)體領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，干式真空泵的電機(jī)內(nèi)部熱問題如何進(jìn)行改善，提高電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的正弦化程度。論文進(jìn)行了如下討論。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)電工程師職稱論文,機(jī)電真空泵,機(jī)電論文

　　引言

　　干式渦旋真空泵又稱為無油真空泵，旋轉(zhuǎn)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(jìn)技術(shù)和設(shè)備。其主要應(yīng)用行業(yè)有：科學(xué)儀器、半導(dǎo)體制備、真空冶金、醫(yī)療設(shè)備、生物制品、光伏器件生產(chǎn)線、醫(yī)藥食品包裝行業(yè)等[1-3]。

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

　　干泵特種電動機(jī)是直接影響干式真空泵性能指標(biāo)和壽命的動力核心，是該重大專項中關(guān)鍵技術(shù)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(jī)體積且功率不變;②為了美觀，單相電源供電時，干泵驅(qū)動電機(jī)殼體上不能背電容器或者電阻器;③為確保真空度，電動機(jī)沒有設(shè)置軸驅(qū)風(fēng)扇，導(dǎo)致電機(jī)的全封閉外殼處于自然冷卻。現(xiàn)有電動機(jī)情況是，背裝電容器影響了美觀，關(guān)鍵是電機(jī)內(nèi)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場的存在增加了損耗和發(fā)熱，同時由于沒有冷卻風(fēng)扇和電機(jī)定、轉(zhuǎn)子運行在密閉真空環(huán)境中，導(dǎo)致溫升過高，經(jīng)常燒毀電機(jī)，故障頻發(fā);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(nèi)容擬另文發(fā)表)構(gòu)造控制器將單相電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換后施加到電機(jī)繞組來消除負(fù)序磁場的作用，以提高電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的正弦化程度。

　　為了說明電機(jī)內(nèi)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(jī)為例，建立溫度場有限元仿真模型，結(jié)合工程實際確定基本假設(shè)、設(shè)置熱源激勵和散熱邊界條件，分析新研發(fā)電機(jī)內(nèi)部部件溫度場分布特征;同時，對新研發(fā)的單相電源供電干式渦旋真空泵用電子移相式特種電機(jī)進(jìn)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(jī)已實現(xiàn)量產(chǎn)，裝備到可替代進(jìn)口的高品質(zhì)真空泵產(chǎn)品。

　　1干式真空泵電機(jī)溫度場分析

　　1.1電機(jī)內(nèi)溫度場數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)傳熱學(xué)基本理論，電動機(jī)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場可以通過三維導(dǎo)熱方程式(1)加以描述[5-7]。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(jī)絕熱邊界面;S2為電動機(jī)散熱邊界面;Te為S2周圍介質(zhì)的溫度(℃，時間的函數(shù));α-S2面的散熱系數(shù)(W/(mm2·℃));K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù)(W/(mm2·℃));Kx、Ky、Kz為電動機(jī)各介質(zhì)x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)溫度穩(wěn)定后，T/τ=0，可得到三維穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型[5]。

　　1.2電機(jī)內(nèi)溫度場數(shù)值計算

　　以抽速為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(jī)為例，防護(hù)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(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)技術(shù)參數(shù)：額定電壓為220V，額定功率為180W，額定頻率為60Hz，額定轉(zhuǎn)速為1695r/min，0～60Hz為恒轉(zhuǎn)矩運行，60～120Hz為恒功率運行。

　　為了合理簡化計算過程，給出求解區(qū)域的基本假設(shè)和邊界條件如下：

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

　　邊界條件：定子部件和轉(zhuǎn)子部件內(nèi)部零件間是熱傳導(dǎo)邊界，定子部件與轉(zhuǎn)子部件間隙是流體散熱邊界，因無風(fēng)扇冷卻故機(jī)殼表面為空氣自然散熱面邊界;有限元熱計算的環(huán)境溫度與樣機(jī)溫升實驗時的環(huán)境溫度一致，設(shè)為22.5℃，以便對比。

　　熱源設(shè)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(fā)熱部件，如滿載時定子繞組銅耗57W、轉(zhuǎn)子繞組銅耗22W、定子鐵心損耗8.4W和機(jī)械雜散損耗14.7W，忽略比例很小的轉(zhuǎn)子鐵耗。

　　考慮到真空環(huán)境下轉(zhuǎn)子散熱條件差，熱膨脹比普通電機(jī)大的因素，電機(jī)氣隙較普通電機(jī)要大一些，電機(jī)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(jī)各個部件的溫度分布特征，為后續(xù)電機(jī)改進(jìn)設(shè)計提供參考，將通過有限元數(shù)值計算得到該特種電機(jī)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(jī)內(nèi)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(jī)溫升實驗

　　為了驗證新研發(fā)特種電機(jī)設(shè)計方案的合理性和有限元熱分析的正確性和準(zhǔn)確性，本文對所研發(fā)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(jī)，進(jìn)行負(fù)載溫升實驗，實驗環(huán)境溫度為22.5℃;對于以往經(jīng)常燒壞的定子繞組溫度采用pt100熱傳感器測量，對于機(jī)殼外表面溫度利用IMPACIN15型手持溫度儀測量，實時記錄溫度變化，溫度測試結(jié)果如圖9所示。實驗數(shù)據(jù)與有限元溫度場計算結(jié)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(jī)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(zhǔn)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(shè)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(chǎn)生流動，有輔助機(jī)殼散熱的效果，而有限元計算時假設(shè)機(jī)殼是空氣自然散熱，故機(jī)殼部位溫度實驗值比計算值低。通過有限元計算和溫升實驗，得到電動機(jī)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(jié)論

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

　　1)滿載工況下，電機(jī)內(nèi)最高溫度點發(fā)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(jī)整體、電機(jī)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(jī)有一定冷卻作用;

　　3)研究表明，新研發(fā)的干式渦旋真空泵用單相供電特種電機(jī)的設(shè)計方案和控制方法是合理的，為新產(chǎn)品批量生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

　　作者：安躍軍 張振厚 張強(qiáng) 王光玉 劉在行

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