鮑曉華， 盛海軍， 單 麗

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.合肥恒大江海泵業(yè)有限公司，安徽合肥 231131)

0 引言

潛水電機作為水下驅(qū)動的動力源，常與潛水電泵及各種水下機械配套組合使用。高壓濕式潛水電機是潛水電機的一種，常放在礦井中立式運行，一般采用細長結(jié)構(gòu)，電機內(nèi)部充滿冷卻用的冷卻水，轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)［1］。隨著現(xiàn)在對海洋及礦井開發(fā)的深入，高壓濕式潛水電機將成為科技研究者主要研究的方向。由于電機內(nèi)腔充滿冷卻水，轉(zhuǎn)子在水中高速旋轉(zhuǎn)，水的黏度特性比空氣大得多，使得電機產(chǎn)生的機械損耗比普通電機大很多，在電機總損耗中占有較大的比重。但是，由于濕式潛水電機結(jié)構(gòu)的特殊性，準(zhǔn)確計算出摩擦損耗一直是濕式潛水電機設(shè)計中的一個重要問題。準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子水摩擦損耗，可以為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計提供依據(jù)。文獻［2］針對潛油電機的結(jié)構(gòu)特點，利用流體力學(xué)理論分析并計算了潛油電機機械損耗。文獻［3］利用三維流體場分析了高速永磁電機轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗。文獻［4］分析了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對高速無刷電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。目前，利用場的方法分析計算高壓濕式潛水電機水摩擦損耗的文章還很罕見。

基于流體力學(xué)及摩擦學(xué)原理，將流體與固體接觸面設(shè)為耦合邊界條件，比傳統(tǒng)的公式法更能準(zhǔn)確地分析轉(zhuǎn)子水摩擦損耗。利用流體場模型，對高壓濕式潛水電機轉(zhuǎn)子的水摩擦損耗與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、表面粗糙度及軸向冷卻水流速的關(guān)系進行分析，并以6 kV－3 150 kW－4P電機為例進行轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的分析。

1 高壓濕式潛水電機轉(zhuǎn)子水摩擦損耗分析

1.1 濕式潛水電機結(jié)構(gòu)

由于工作環(huán)境的特殊性，潛水電機的結(jié)構(gòu)較一般常用電機結(jié)構(gòu)有所不同，本文介紹的電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機采用內(nèi)外雙水冷結(jié)構(gòu)，電機內(nèi)部充滿冷卻水，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)如下:電機工作時帶動止推軸承下面的泵輪轉(zhuǎn)動，泵輪從冷凝器中抽取的冷卻水經(jīng)止推軸承流過下導(dǎo)軸承，再由轉(zhuǎn)子鐵心部分水道、電機氣隙及定子鐵心槽空隙部分流到電機鐵心上端部，再由機殼部分水道流至冷凝器中(如圖1箭頭所示)，如此反復(fù)循環(huán)。

圖1 高壓濕式潛水電機結(jié)構(gòu)

1.2 水摩擦損耗的傳統(tǒng)公式法計算

潛水電機內(nèi)腔充滿冷卻用冷卻水，轉(zhuǎn)子在冷卻水中高速旋轉(zhuǎn)，其摩擦損耗主要由三部分組成:轉(zhuǎn)子與冷卻水的摩擦損耗、推力軸承的摩擦損耗及導(dǎo)軸承的摩擦損耗，其中主要作用是轉(zhuǎn)子與冷卻水的摩擦損耗。

1.2.1 轉(zhuǎn)子與冷卻水的摩擦損耗

濕式潛水電機轉(zhuǎn)子在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水摩擦損耗為［5］

式中:D2——轉(zhuǎn)子外圓直徑;

l——轉(zhuǎn)子鐵心長;

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;

v——轉(zhuǎn)子外圓的圓周速度;

γ——水的重度;

k——與轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。

1.2.2 導(dǎo)軸承損耗

當(dāng)氣隙均勻時，理論上不存在單邊磁拉力，導(dǎo)軸承產(chǎn)生的摩擦損耗僅為軸與軸瓦間隙縫中流體的摩擦損耗。但是，由于在加工裝配過程中不可避免的使定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻，產(chǎn)生單邊磁拉力，使導(dǎo)軸承損耗加大。一般導(dǎo)軸承的損耗可以由式(2)近似求出［6］:

式中:f——單邊磁拉力;

b——摩擦系數(shù);

D——轉(zhuǎn)子外徑;

ω——轉(zhuǎn)子角速度。

1.2.3 推力軸承摩擦損耗

潛水電機中，推力軸承用水做潤滑劑，由于水的黏度較小，受溫度的影響卻較大，使得摩擦損耗較難準(zhǔn)確計算，目前常用的估算公式為［6］

式中:G——電機自重給推力軸承的負荷;

u——摩擦系數(shù);

r——推力軸承的平均半徑;

ω——轉(zhuǎn)子角速度。

1.3 轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的流體場分析

1.3.1 方程與求解模型

電機采用水作為冷卻介質(zhì)，電機中水的雷諾數(shù)遠大于2 300，顯然處于紊流狀態(tài)，當(dāng)不計重力場時，根據(jù)黏性流體力學(xué)理論，對不可壓縮流體紊流流動方程，利用時均法，在直角坐標(biāo)系中進行如下描述［7-11］:

u'i——脈動流速;

Fi——質(zhì)量力;

i=x，y，j=x，y，且i≠j;

u——流體黏性系數(shù);

ρ——流體密度。

電機在運行過程中，受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的影響，轉(zhuǎn)子表面的流體既有軸向流動又有沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的切向運動，在完全紊流的流場條件下，可推導(dǎo)出如下的標(biāo)準(zhǔn)紊流求解模型［12-16］:

Gk——平均速度梯度引起的湍動能;

σk和σε——分別為湍動能k和耗散率 ε的有效湍流普朗特數(shù)的倒數(shù);

ut——湍流黏性系數(shù)，ut=ρCuk2/ε ;

C

2ε、Cu——常量。

C1ε與流動情況有關(guān)，求解模型如下:

Si，j——流體的時均應(yīng)變率;

η0、β——常量。

1.3.2 基本假設(shè)

文章以6 kV-3 150 kW-4P潛水電機為例，對轉(zhuǎn)子表面的水摩擦損耗進行流場分析。3-D流體場模型如圖2所示。

圖2 高壓潛水電機3-D流體場模型

在進行流體場分析之前，做出以下假設(shè):

(1)冷卻水沿冷卻水流道水平進入;

(2)電機損耗產(chǎn)生的部分熱量在冷卻水道出口處由流體帶走;

(3)指定流體入口為速度入口，出口為壓力出口，設(shè)為大氣壓;

(4)認為氣隙交界面為運動邊界，在交界面上指定粗糙度和旋轉(zhuǎn)速度;

(5)固體和流體交界面為耦合邊界。

根據(jù)以上假設(shè)，高壓濕式潛水電機的轉(zhuǎn)子水摩擦損耗可通過計算電機的總損耗求出，電機總的損耗為

式中:hf——流體的熱傳導(dǎo)系數(shù);

Ts—— 壁面溫度;

Tf—— 流體溫度;

qr——輻射熱通量。

2 基于流體理論的水摩擦損耗計算

2.1 轉(zhuǎn)子水摩擦損耗計算

圖2所示的轉(zhuǎn)子水摩擦損耗為

式中:P1——潛水電機轉(zhuǎn)子表面的水摩擦損耗;

P2——導(dǎo)軸承表面的水摩擦損耗;

P3——推力軸承表面水摩擦損耗。

利用上述建立的流體場模型，可計算出不同轉(zhuǎn)速下水摩擦損耗，如圖3所示。

由圖3可以看出電機轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子水摩擦損耗影響很大，近乎呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。

圖3 水摩擦損耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖5 軸向水流速對濕式潛水電機水摩擦損耗的影響

2.2 水摩擦損耗影響因素分析

高壓濕式潛水電機轉(zhuǎn)子的水摩擦損耗不僅與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子表面的粗糙度及冷卻水的流速有關(guān)。依據(jù)流體場分析，可以得到轉(zhuǎn)子表面粗糙度和軸向冷卻水流速與轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的關(guān)系，分別如圖4、圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)子表面粗糙度對濕式潛水電機水摩擦損耗的影響

2.3 與試驗結(jié)果比較分析

按照三相異步電機試驗方法(GB1032－85)中要求，對本文所選用潛水電機做空載試驗，得到不同轉(zhuǎn)速下的電機空載損耗數(shù)據(jù)，并且利用損耗分離的方法，分離出不同轉(zhuǎn)速水摩擦損耗，并將試驗結(jié)果與計算結(jié)果進行了比較，如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速水摩擦損耗計算值與試驗結(jié)果對比

由圖4可看出，水摩擦損耗隨著轉(zhuǎn)子表面粗糙度的增大而逐漸增大，通過提高制造工藝可以降低轉(zhuǎn)子表面粗糙度，即采用光滑的轉(zhuǎn)子表面，從而降低水摩擦損耗。

電機轉(zhuǎn)子部分水道是為了冷卻轉(zhuǎn)子用的，也會增加水摩擦損耗。圖5顯示了在額定轉(zhuǎn)速(1 480 r/min)下水摩擦損耗與冷卻水流速的關(guān)系:增加水流速直接使得轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的增加;電機轉(zhuǎn)子水摩擦損耗和軸向冷卻水流速基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。為了降低水摩擦損耗，可以在保證總的水流量不變的情況下，通過增大水道截面積來減小軸向水流速，從而既保證轉(zhuǎn)子的冷卻，又降低了轉(zhuǎn)子水摩擦損耗。

由圖6可看出，在轉(zhuǎn)速較低情況下采用流體場模型計算得到的水摩擦損耗與試驗結(jié)果基本一致，隨著轉(zhuǎn)速的增大，計算結(jié)果比試驗結(jié)果要偏低一些。

3 結(jié)語

本文以6 kV-3 150 kW-4P潛水電機為例，利用流體黏度特性，計算并分析了高壓濕式潛水電機轉(zhuǎn)子水摩擦損耗，以及影響水摩擦損耗的因素，計算結(jié)果與空載試驗結(jié)果一致，說明了該方法的正確性?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:

(1)利用流體理論，可以對高壓濕式潛水電機的轉(zhuǎn)子水摩擦損耗進行流體場分析計算，試驗結(jié)果證明了該方法的準(zhǔn)確性;

(2)電機轉(zhuǎn)速、冷卻水流速、轉(zhuǎn)子表面粗糙度都是影響轉(zhuǎn)子水摩擦損耗的主要因素，其中電機轉(zhuǎn)速的影響最大，呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系;

(3)電機的水摩擦損耗可通過對電機做空載試驗，得到不同轉(zhuǎn)速下電機的總損耗，利用分離系數(shù)的方法得到水摩擦損耗，其精度與空載試驗時損耗的測量精度有關(guān)。

［1］傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］徐永明，孟大偉.李國輝.潛油電機機械損耗的分析與計算［J］.電機與控制學(xué)報，2004，8(4):370-372.

［3］邢軍強，王鳳翔，張殿海，等.高速永磁電機轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2010，30(27):14-19.

［4］周鳳爭，沈建新，王凱.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對高速無刷電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2008，42(9):1587-1590.

［5］徐永明.潛油電機機械損耗及隔磁段隔磁參數(shù)計算分析［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2008.

［6］韓秀芝，鄧輝.潛油電機機械損耗分析計算［J］.機械工程師，1998(4):38-39

［7］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［8］路義萍，李偉力，韓家德，等.大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)對空氣流量分配影響［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(4):20-24.

［9］SAARI J.Thermal analysis of high－speed induction machines［D］.Espoo:HelsinkiUniversity of Technology，1998.

［10］AGLEN O，ANDERSSON A.Thermal analysis of a high speed generator［C］∥IEEE 38th IAS Annual Meeting on Industry Applications，SaltLake，USA，2003(1):547-554.

［11］陳琳，劉長紅，姚若萍.流場分析軸向通風(fēng)冷卻電機的轉(zhuǎn)子溫度［J］.大電機技術(shù)，2005(4):12-15.

［12］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2009.

［13］朱克勤，許春曉.粘性流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［14］李偉力，付敏，周封，等.基于流體相似理論和三維有限元法計算大中型異步電動機的定子三維溫度場［J］.中國電機工程學(xué)報，2000，5(20):14-17.

［15］周封，熊斌，李偉力，等.大型電機定子三維流體場計算及其對溫度場分布的影響［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，24(25):128-132.

［16］李偉力，丁樹業(yè)，靳慧勇.基于耦合場的大型同步發(fā)電機定子溫度場的數(shù)值計算［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25(13):129-134.