真空干泵驱动电机冷却效果分析

电机易抄制应用2021,48( 6)
研究与设计I EMCA
热量、电机 。
1.2电机损耗计算
异步电机的
铁耗、铜耗、屏蔽套
损耗、机械 和附加 。
异步电机铁耗分为定子铁耗和转子铁耗，因
转子铁
较小， 可
计。定子铁耗
6和流
6,其中
铁磁物
生的
，涡流 ；
铁心 发生
生涡电流所对应的 。
铁耗相关的2项 可以按照下式计算:
机的定转子被屏蔽套包裹处于密闭状态，加 电
机的散热难度，所以选择采用散热 较好的液体
冷却方式电机选择F级绝缘，其
为105 K,绕组的温度限制为最高155 冷却介
的物理特征参数 3
o
表3水的相关物理参数表
名称
数值
导热系数％/( W・mY・KY ) 比热容Cp/(J・kgY・KY )
0.62 4 200
然后根据传热学原理计算电机冷却系统所需
的各项参数〔⑴。 ： 冷却水道内冷却介质的流速计算式如下
J=K
(7)
A
; , ； 式中为流量 A为水道截面积 Aaa' J为水
， 道流速；a、L为水道截面的长和宽 分别为22 mm
。 和 4 mm
( ) 式 7 可计算出流量为4.5 L/min时水道
。 流速为0.85 m/s
2.2冷却水道尺寸的设计
, 电机水道的内径为137 mm 水道的截面为矩
形，为22 mm，宽为4 mm。图3为电机螺旋水
道 。表4 出电机机壳和冷却 的
数据。
表4电机冷却结构尺寸
结构名称
参数值
机壳外径
176
机壳内径
135
电机总长
220
水套内径
137
螺距
28
计算电机的总损耗：
( ) P=Pfc 9 6cu +6 9 6 9 6s = 762 W 6
作者简介：韩雪秋(1994-)，女，硕士研究生，研究方向为特种电机及其控制'
安跃军(1962-),男，博士，教授，研究方向为特种电机及其控制’
—69 —
研究与设计I EMCA
电札与披制应用2021,48(6)
0引言
的飞速发展， 对
和
设
的
，
种 的泵
以快速发展。干式真空泵以其 ；
、的特到
用⑴。
的
式真空泵有
图1 2.9 kW真空泵驱动用电机三维结构示意图
图2电机磁通密度云图
表1真空泵驱动电机的基本参数
参数名称
参数值
功率/kW
2.9
额定电压/V
220
极数
2
数
3
额定频率/Hz
50
屏蔽套厚度/mm
0.5
进水温度/°c
25
绝缘等级
F
防护等级
IP66
电机的定子槽选择梨型槽,在电机定子内径 设置屏蔽套防止气体泄漏。屏蔽套的材料选择 SUS304非导 材料°电机转子采用 导条 焊接而成的鼠笼型导条,以降低转子 、减少发
I
耗;：1为电机相数;31为定子相电流;32为折算到
子侧的转子相电流;；1为定子绕组电阻;；2为
折算到定子侧的转子电阻'
机械
承
和通风 '本
研究的屏蔽式异步电机 封闭式
转子
处于真空环境中，
存在通风 '电机的
可根据下式 ：
6=0.15 X10B
(3)
式中：6为轴承摩擦损耗; ＞ 为轴承载荷;d为以
承中心
绕组系数;为假想的转子绕组对”次谐波的绕
系数;62为子
在笼型转子绕
产生的附加 ;R＜为折算到定子侧的转子导条 交流电阻;c”为转子 系数。
电机运行时在屏蔽套内产生的涡流损耗被称
为屏蔽套，可以根据
式计算:
6 7 0.5B#n24$L$# —Kp X107" (5) P
式中：B#为气 密；+为步转速;4$为子内
机的进一步研究 科 据。
关键词：屏蔽电机；温度场；冷却系统；真空干泵
中图分类号：TM 358 文献标志码：4 文章编号：1673-6540( 2021) 06-0069-08
doi： 10.12177/e:;.2021.032
Analysis of Cooling Effect of Drive Motor for Vacuum Dry Pump #
运动黏度"/
)
普朗克数Pr
进水温度
8.12X10-7
5.52 25
电机发热最严重的部位是定子绕组，因此将
—71 —
研究与设计I EMCA
, 冷却水道 在机壳内，定子铁心热 机壳 实
现铁心与机壳的密
，
导散热。水道
， ， 的 为轴向
进出 分布在电机
冷
却机
， 面积较大 冷却
,好 适用于
。 发热严重的电机)10*
电机
。根据电机的生热 设计机壳内
冷却水道 ，使用Anቤተ መጻሕፍቲ ባይዱys软件对
道
中冷却介质的流动状态和电机
进行仿真分
析，并通过样机
证了冷却 。
1真空泵屏蔽电机建模与损耗计算
1.1屏蔽电机建模仿真 真空泵的泵头通过轴承实现机械密封,
—70 —
行时可能存在泄漏， 真空泵的驱动电机多 采用屏蔽式电机〔7*o屏蔽式电机是在异步电机的
基础上在电机定子内径和转子外径添加屏蔽套,
使泵头、电机机壳端部和屏蔽套处于封闭的空间
内,防止真空泵运行过程中气体的泄漏〔8* o
研究的 2.9 kW
真空泵用屏蔽电
机由机壳、定子铁心、定子屏蔽套、定子绕组、转子
铁心、转子导条、转子端环和转 成。图1为电
机的
o 2 为 通密
o
1出电机的各项参数。
朋韓转子铁牆树脂
广＞ =
■ P； =
2：
( 1)
6 7 6 +P；
式中：6e为总的铁心损耗；！＞和!；为磁滞损耗
系数和涡流 系数;/为
为磁密幅
值;"为 系数。
鼠笼异步电机
子绕组的铜耗和鼠
笼导条上产生的 ，可 式计算：
[6Cu1 7 ：13；1 l6C"2 7 :13 ；2
( 2)
式中：6”1为 子绕
；6jl2为转子导
v U = 2(a + L)
设计
的冷却系统降低电机
真
空泵驱动电机研发的重中之重［
近年来国内外已有大量关于电机 的研
究，目前常用的分析方法为有限元法。有限元法
既可以精确地计算电机 分的温度分布
，
又可以计算出局部过热点［I * ' 时计算流体力
的发展已经很成熟，可以通过有限元软件对流
体场进行多物 的数值模拟，为电机冷却系统
的设计 帮助。电机的冷却方式通常分为风冷
HAN Xueqiu1, AN Yuejun1, AN Hu( , KONG Xiangling1, BI Delong1 (1. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Vacuum Dry Pump Division, SKY Technolooa Developmenr Co., Ltd., Chinese Academy of Sciences,
式、
式、 式和
式
式 式干泵机组。
的研究
对象
真空泵用驱动电机。
真空干泵
的工作环境特殊,其驱动电机与泵 ，多采用
屏蔽电机。为 防止泵输送的液体损坏电机内
部，屏蔽电机的定子和转子通 有屏蔽套,在
工作过程中会产生屏蔽套 ，故真空泵驱动
电机面临
过高、散热难的问题。
过
会引起电机绕组绝缘损坏、鼠笼导条强度遭
到破坏， 分析电机 分的 分布情况
电机易抄制应用2021,48( 6)
研究与设计I EMCA
真空干泵驱动电机冷却效果分析#
， ， ， , # # 韩雪秋! 安跃军！ 安辉! 孔祥玲 毕德龙
(!.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870；
2.中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司真空干泵事业部，辽宁沈阳110168)
摘要：针对真空泵用驱动电机在极端真空环境工作时发热严重的问题，对真空泵用电机的冷却系统进
流体的 数是判别流体流动状态的无量纲
数。
, 。 数较小时 流动的流体处 流状态
， 数越大 对流场的
,大 水流速
， 。 大，水流 乱无章 流体越趋向于湍流 湍流更
—72 —
电札与披制应用2021,48(6)
有 散热。
，设计电机水道的截面 时
使流体在管道内以 流速流动时处于湍
。 ： 流状态 流体的 数可根据下式计算
行设计和分析。以1台2.9 kW屏蔽式异步电机作为研究对象,通过有限元软
机有
的电
机
，对其进行损耗计算。根据
道的流速和压强分布验证 道 设计的
，并对电机
各部分 分布 进行仿真分析。根据电机在
和冷却
的
分析
电机能安 行的时间。
对 机进行
， 到的
和仿真 进行对比分析，验证
机有
道的冷却系统对真空干泵驱动电机具有 的冷却 ，为极端真空环境下真空泵用驱动电
Key words: shielded motor ； temperatrrr field ； cooling system ； vacuum dry pump
收稿日期：2021-01-24；收到修改稿日期：2021-04-25
#基金项目：国家科技重大专项项目(2017ZX02201005-002)
径;L$为定子铁心长;#为屏蔽套 ；$为屏蔽 材料电阻系数;K为流 修正系数。
通过 真空泵电机
，使用商用有
限元软 真 电机在
行时的 分损
耗，
2
'
表2电机内各部分损耗
损耗参数
定子铜耗
231
转子铜耗
113
铁耗
42
机械损耗
31
屏蔽套损耗
345
W 损耗值
2电机冷却系统的设计
2.1冷却结构设计
为罗茨真空泵工作环境中存在有害物质，电
和液冷。
的液冷有水冷和油冷。2007年国
外学者将冷却通道建在电机的定子铁心辄部，取
很好的冷却 〔国内学者通过 流固
耦
的方法分析比较
和折返 道，
出减小压差的方法〔6*o真空干泵用驱动电机内
为真空环境，在工作过程中存在发热严重的
现象，因此采用液冷冷却方式。
以1台2.9 kW真空泵用屏蔽电机为模 ，使用商业有限元软件计算电机各项参数，建立
中心
为半径的圆的直径;”
为 中心的 速度’
鼠笼异步电机的附加 成
，难以准
确计算'
电机在绕
生的谐
，在绕组及其附近的金
中产生的涡
流 ， 其值可 式 ：
4：#心”心 2
( 4)
62e 7 C：m$3R'＜
式中：6”为定子
在笼型转子绕组中
产生的附加
；#$为定子绕
数；
R2@为转子导 流电阻;，dc为” @
的定子
Shenyang 110168, China)
Abstract: In view of the serious heating problem of drive motor for vacuum pump in extreme vacuum environment, tie cooling system of the drive motor for vacuum pump in designed and analyzed. A 2.9 kW shielded asynchronous motor in taken as the research object. The three-dimensionai modei of tOe motor with spiral wateevay in established by finite element software, and the loss is calculated. According to the velocity and pressure dishiCution of spiral wateryay, the rationalito of wateroay size design is verified, and the temperature distribution of each part of Bhemooeissimuoaed and anaoaeed.Accoeding oBhe empeeaBueechangesotBhemooeundeedouboeeaed ooad and cooling water fauli conditions, the safe operation 1:1^ of the motor is analyzed. Finny, the temperature rise test of the prototype is carried out, and the test results and simuCtion results are compared and analyzed. It is verified that the cooling system with spiral channel in the shell has a certain cooling effect on the drivv motor for the vacuum dra pump, which provides a scientific basis for the research of the drivv motor foe racuum pump in the extreme vacuum environment in the future.