屏蔽电机屏蔽损耗与电机性能的计算与分析

黄滨滨

佳木斯电机股份有限公司 黑龙江省佳木斯市 154002

摘要：根据电磁感应定律得到计算定子屏蔽套损耗二维涡流场有限元表达式,

建立了工程涡流场的数学模型, 采用有限元方法并结合端电压收敛条件对定子屏蔽套内的涡流损耗进行计算分析。 通过与传统解析算法所得结果及有关实验数据进行比较, 验证了有限元方法在计算损耗中的准确性。 利用所得方法, 对采用不同尺寸和不同材料时的屏蔽套损耗进行了计算分析, 从而得出损耗随屏蔽套尺寸与材料特性变化的规律。 同时, 计算了定子屏蔽套尺寸改变时电机性能变化, 研究涡流损耗对电机性能的影响, 找出其间规律。 所得计算方法和规律可对屏蔽电机的设计与制造以及整机的优化设计起到作用。

关键词：涡流场；有限元；屏蔽电机；涡流损耗；性能

1前言

屏蔽电动机与泵组成一体称为屏蔽电泵,用来输送易燃、有毒、贵重、有腐蚀性及带放射性的介质。屏蔽电动机最显著的特点是在气隙中定、转子上各有一层屏蔽套。 屏蔽层置于电机的交变磁场中, 在屏蔽层中必然产生涡流, 引起涡流损耗；另外, 也会对电机磁场产生影响。屏蔽感应电动机中屏蔽套一直都是设计的难点, 国外学者给出的屏蔽套损耗计算方法, 不但推导繁琐, 而且所得结果远小于试验结果。 他们根据实验结果做出了定子屏蔽套损耗减小系数 Ks的曲线,从中可以看出 Ks与铁心长度和极距的比值有关, 而与定子屏蔽套端部实际长度无关, 同时一定程度上提高了计算精度。 国内学者在屏蔽电机的设计中, 屏蔽损耗往往应用经验公式进行估算, 或者从电磁感应定律出发来进行计算, 计算结果存在一些误差。 在使用这些解析方法计算时虽然能准确描述涡流场产生损耗的机理, 但由于数学工具的限制, 解析方法只能在一定假设和近似处理的基础上进行, 不能有效考虑磁场及涡流分布, 影响计算精度。 要想对屏蔽层涡流损耗进行精确计算, 应以涡流场计算为基础。本文从涡流场的计算分析出发, 采用有限元法结合电机端电压收敛条件, 对屏蔽电机定子屏蔽套的涡流损耗进行计算, 研究了涡流损耗随屏蔽套尺寸及材料的变化规律。 在此基础上, 计算了不同屏蔽套尺寸下电机的性能变化, 分析了屏蔽套涡流对电机性能的影响。

2屏蔽电机定子屏蔽套涡流场的数值计算

2.1屏蔽电机在结构上与普通感应电机相似,

不同之处在于气隙中添加了定、转子屏蔽套。 其中,定子屏蔽套用来防止输送介质泄入定子铁心及绕组, 转子屏蔽套用来保护转子免受输送介质的腐蚀。 屏蔽套处于气隙磁场中, 它的厚度影响着气隙的大小, 因而对电机的性能有较大影响。 从电机原理可知, 屏蔽套应尽可能薄, 以减小激磁电流, 提高电机效率及功率因数。 但也要考虑到屏蔽套要承受一定的系统压力、介质的腐蚀性, 制作又不能太薄。 根据实验统计数据, 定、转子屏蔽套材料厚度相同时, 转子屏蔽套损耗约为定子的 10%,其他情况可以不计其损耗, 本文不计转子屏蔽套的涡流损耗。

定子屏蔽套焊接在轴承上, 紧密固定在定子铁心内表面。 气隙磁场沿着切向旋转,切割屏蔽套产生轴向的感应电动势。 屏蔽套材料多为金属合金, 在感应电动势的作用下,屏蔽套内产生轴向的感应电流, 这些电流在端部闭合形成涡流, 进而产生涡流损耗。 由于屏蔽套的长度远大于铁心的有效长度, 涡流在端部产生的损耗就不能忽略。 为了计算端部的涡流损耗, 把端部的损耗折算为铁心长度范围内涡流损耗的一部分, 通过改变屏蔽套的计算长度来实现。

根据电磁感应定律, 长直导体在运动磁场切割磁力线产生感应电动势, 导体闭合时产生感应电流, 则产生的涡流损耗为

式中: P 为功率损失, B 为运动磁场场强, v 为导体磁场相对运动速度, l为导体长度, s为导体横截面积, Q为导体电阻率。

上述分析方法把涡流场的计算过程与有限元法相结合, 即用有限元实现了涡流损耗的计算。电机铁心内的电磁场属于低频涡流场, 对其分析时作以下假设:

1) 忽略位移电流影响, 定子导体和铁心中的集肤效应忽略不计, 铁心外缘的散磁忽略不计；

2) 忽略磁滞效应并设屏蔽套材料各向同性,具有单值性曲线；

3) 电机横截面内的电磁场按二维场处理, 场域中各场量随时间按正弦变化, 气隙磁场按正弦分布。

2.2涡流场与电机性能的有限元计算

建立有限元分析的实体模型, 把各部分实体模型赋予相应的材料特性。 然后, 进行单元剖分, 选择剖分单元形状为三角形, 节点自由度为 z, 不同区域选择不同的网格密度, 其中气隙和屏蔽套部分网格密度最高。对整个求解域的单元进行分析, 计算电机稳态运行的正弦时变场,计算采用内外双收敛法。内部收敛计算时, 采用正常的迭代步骤。 在每一点计算结束后, 把计算结果与上一次的结果相比较, 得到相对误差, 并设置误差标志, 存储全部节点误差的最大值。 每计算一遍把误差标志与收敛要求相比较, 小于要求精度时, 停止计算过程,平均每个计算过程中迭代 19步, 达到收敛精度要求为 0。01% 。

3计算结果分析与比较

3.1不同方法计算定子屏蔽套涡流损耗的比较

传统的解析算法, 不考虑屏蔽套端部的影响,且以经验所选择损耗计算系数对结果影响较大,其中应用最广泛的公式为

3.2定子屏蔽套尺寸对其涡流损耗的影响

仍以 11 k W 4极屏蔽电机为例, 保持定转子尺寸及屏蔽套材料特性不变。 定子屏蔽套厚度0.11~ 0.17 mm, 分别用传统经验公式和涡流场有限元法计算相应的定子屏蔽套损耗。 在结果分析中, 以屏蔽套尺寸为横坐标, 涡流损耗为纵坐标,拟合出各自的损耗变化。

3.3定子屏蔽套材料特性对其涡流损耗的影响

若材料为弱磁性, 会使主磁路的磁阻减小, 进而造成主电抗增加, 励磁电流减少, 有益于提高功率因数和效率, 但由于槽漏抗的增加会使稳态性能变坏。 以 15 k W 4极屏蔽电机为例, 分析材料特性对定子屏蔽套涡流损耗的影响。 保持材料为非导磁性, 电阻率从 417~ 917( 10- 88 # m ) 每隔015取一值进行计算随着电阻率的增大, 涡流损耗非线性减少,且递减的损耗越来越小；电阻大到一定程度时,损耗几乎不再减少。 数值计算结果曲线的曲率变化明显大于解析计算结果, 更接近工程实际。

3.4定子屏蔽套对电机性能的影响

与普通感应电机不同, 屏蔽电机的定转子之间不仅存在磁路的耦合, 由于定子屏蔽套中感应出涡流使得电机中存在电的联系。 定子屏套的感应涡流位于气隙间, 其大小直接影响到气隙主磁场, 进而影响电机的主要性能指标。由于涡流损耗的产生, 屏蔽套相对电机定子侧的作用效果相当于变压器二次侧对一次侧的作用, 对整个电机而言, 等效为额外增加一个变压器。 电机的电磁转换功率随之变大, 定子侧的相电流也增大。

由于气隙中涡流的存在, 其电磁效应使气隙磁阻增大, 磁压降变大,等效为电机气隙尺寸变大。 在保持转子侧输出功率不变情况下, 转子感应电动势增大, 电机转差率上升。

4结束语

1) 采用内外双收敛的有限元法, 针对屏蔽电机的定子屏蔽套进行涡流场的分析计算。 根据电机实际情况建模, 针对具体损耗分布位置采用相对应参数进行计算。 两种电机模型的计算和结果分析可以表明, 有限元算法在解决涡流场损耗计算时的准确性和科学性。

2) 从定子屏蔽套随其尺寸和材料特性变化的情况可以得到一些规律性结论: 随定子屏蔽套厚度增大其涡流损耗线性增大；随屏蔽套的电阻率升高其涡流损耗呈反比例降低。 除此之外, 屏蔽套的尺寸和材料特性还关系到其强度、耐腐蚀性,在实际的电机制造过程中, 要综合考虑这些因素,才能达到最好的性价比。

3) 从定子屏蔽套损耗与电机性能关系计算可看出: 定子屏蔽套的损耗增加, 将导致电机的转差上升、效率下降和功率因数降低等工作性能变化。 得到的这些规律有利于屏蔽电机设计当中合理匹配屏蔽套材料特性要求和电机性能要求。

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