徐永明 蔣治國 艾萌萌

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 哈爾濱 150080)

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潛油電動機(jī)隔磁段電磁-熱-力耦合特性研究

徐永明 蔣治國 艾萌萌

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 哈爾濱 150080)

針對潛油電動機(jī)分段處多物理場耦合的問題，通過研究其電磁-熱-力耦合特性，確定隔磁段和扶正軸承的大小對電動機(jī)渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律。建立隔磁段及扶正軸承材料的電磁-熱-力耦合特性模型，研究不同金屬或合金材料的導(dǎo)電特性、導(dǎo)熱特性和力學(xué)特性耦合作用機(jī)理，探究受力約束條件下隔磁段和扶正軸承大小對電動機(jī)渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律。采用實驗對比的方式證明了計算方法和結(jié)果的準(zhǔn)確性，為研究高性能潛油電動機(jī)奠定理論基礎(chǔ)。

潛油電動機(jī) 漏抗 渦流損耗 耦合傳熱 受力分布

0 引言

潛油電動機(jī)立式工作，結(jié)構(gòu)細(xì)長，定轉(zhuǎn)子分段，對應(yīng)的定子位置為非導(dǎo)磁性材料制成的隔磁段連接，轉(zhuǎn)子位置為扶正軸承，可實現(xiàn)多點支撐的作用。

我國對潛油電動機(jī)的研究已取得很多成果，尤其是潛油電動機(jī)電磁參數(shù)的計算已較為精確[1]。目前已設(shè)計出專門針對潛油電動機(jī)的電磁計算軟件[2]。文獻(xiàn)[3-6]對潛油電動機(jī)內(nèi)部的溫度場計算做了大量工作。文獻(xiàn)[7]對潛油電動機(jī)軸的受力以及多點支撐問題進(jìn)行了研究，使之能夠保證電動機(jī)可靠運行。但這些研究都是在各自獨立的領(lǐng)域取得成果，綜合到同一電動機(jī)中，其電磁、傳熱及受力之間是相互影響、彼此制約的，電動機(jī)處于一個復(fù)雜的耦合場中。目前對潛油電動機(jī)的電磁-熱-力的耦合特性研究還未見報道。

電動機(jī)運行中，分段處結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，隔磁段內(nèi)的磁場儲能導(dǎo)致漏抗和扶正軸承中的渦流損耗對電動機(jī)性能參數(shù)產(chǎn)生影響，且該結(jié)構(gòu)又對電動機(jī)的溫度分布及受力支撐等產(chǎn)生影響，因而對潛油電動機(jī)分段處材料的電磁-熱-力耦合行為進(jìn)行研究，結(jié)合材料建立導(dǎo)電特性、導(dǎo)熱特性和力學(xué)特性的耦合研究模型，獲取分段處大小對電動機(jī)渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律；研究不同金屬或合金材料的導(dǎo)電特性、導(dǎo)熱特性和力學(xué)特性耦合作用機(jī)理，探究受力約束條件下隔磁段和扶正軸承大小對電動機(jī)渦流損耗、溫度分布及熱傳遞的影響規(guī)律。所得研究成果對提高電動機(jī)的性能具有重要意義。

1 電磁-熱-力耦合特性研究模型

1.1 模型研究

根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]，運用能量法對分段處建立三維有限元模型，首先求出隔磁段內(nèi)的磁場儲能，再通過求解渦流場得到扶正軸承損耗。

關(guān)于溫度場的計算，在區(qū)域Ω內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型可表述為邊值問題，相應(yīng)的泛函為

(1)

式中：λx、λy、λz為沿x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T為節(jié)點溫度矢量；α為根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)；q為熱流密度；S8～S9為第三類邊界面。當(dāng)泛函I(T)達(dá)到極值時，離散化后可得到三維溫度場的有限元方程KT=F，其中K為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)及對流系數(shù)；F為節(jié)點溫度載荷。

危險截面計算應(yīng)力為

(2)

式中：Mca為當(dāng)量彎矩；d為危險截面直徑，mm，此處危險截面為扶正軸承處；[σ-1]為許用彎曲應(yīng)力[11]。

1.2 物理模型

本文以一臺YQY114P-31W潛油電動機(jī)為例，對其進(jìn)行分析計算，具體參數(shù)如表1所示。

為保證計算準(zhǔn)確且不增加計算量，考慮分段處結(jié)構(gòu)情況，對一段電動機(jī)的部分鐵心及半個扶正軸承建模，如圖1所示。由于潛油電動機(jī)分段處處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，導(dǎo)致這部分產(chǎn)生漏抗和損耗，同時由于損耗，導(dǎo)致分段處的溫度升高，受力情況也趨于復(fù)雜。所以為了更好地研究分段處電磁-熱-力的耦合關(guān)系，本文采用同一個模型實現(xiàn)對電磁、溫度和受力的分析計算。

表1 潛油電動機(jī)基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of submersible motor

1—定子繞組；2—轉(zhuǎn)子鐵心；3—籠型條；4—定子鐵心；5—扶正軸承；6—轉(zhuǎn)軸；7—隔磁段；8—電動機(jī)殼圖1 潛油電動機(jī)分段處三維物理模型Fig.1 Three-dimensional physical model of the submersible motor segment

2 實例計算

2.1 電磁計算

對樣機(jī)建立三維有限元模型，并分析求解后，得出的扶正軸承的渦流損耗和隔磁段的磁場儲能如圖2所示。根據(jù)圖2所得結(jié)果計算總渦流損耗和隔磁段漏抗(該電動機(jī)共有9個這樣的扶正軸承和隔磁段)。表2列出了當(dāng)扶正軸承由不同材料制成時總的渦流損耗、隔磁段磁場儲能及隔磁段漏抗(9個)。表3列出了樣機(jī)定子各部分漏抗的標(biāo)幺值及所占總漏抗的百分比。

圖2 扶正軸承渦流損耗圖及隔磁段磁場儲能圖Fig.2 Eddy current losses of rotor bearing and field energy storage of magnetic isolated segment figure

表2 樣機(jī)電磁參數(shù)Tab.2 Prototype electromagnetic parameters

表3 樣機(jī)定子漏抗標(biāo)幺值Tab.3 Per unit of prototype stator leakage reactance of prototype

由上述結(jié)果可知，扶正軸承中的渦流損耗很小，即使是渦流損耗最大的40Cr，也僅產(chǎn)生153.91 W的損耗，相比潛油電動機(jī)中其他損耗來說幾乎可忽略，不會對電動機(jī)造成太大影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的方法進(jìn)行實驗驗證，將兩臺電動機(jī)所測結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出分段處對電動機(jī)參數(shù)的影響，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2.2 溫度場傳熱計算

由于在電動機(jī)運行中鐵心損耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、各種機(jī)械摩擦損耗以及扶正軸承中渦流損耗的存在，導(dǎo)致電動機(jī)內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重，為了更好地探究潛油電動機(jī)內(nèi)部發(fā)熱和傳熱機(jī)理，采用流固耦合傳熱計算以及仿真與實驗相對比的方法進(jìn)行驗證。

2.2.1 基本假設(shè)

1)機(jī)械損耗全部集中在轉(zhuǎn)子外表面，忽略轉(zhuǎn)子鐵心損耗，計算電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時的三維溫度場。

2)原油井液溫度為90℃，在離心泵的作用下，以0.3 m/s的速度自下向上流動。

3)井液全部為原油，計算井液的雷諾數(shù)，判斷其做湍流運動。

2.2.2 計算結(jié)果

由電磁計算得出電動機(jī)的定子鐵心損耗、定子銅損耗、轉(zhuǎn)子銅損耗以及扶正軸承渦流損耗。潛油電動機(jī)的機(jī)械損耗主要包括3部分：潤滑油與定轉(zhuǎn)子的摩擦損耗、扶正軸承的摩擦損耗、止推軸承動靜塊的摩擦損耗。在溫度場的計算中只考慮起主要作用的定轉(zhuǎn)子的摩擦損耗對溫度的影響[13]。

電動機(jī)的損耗值和生熱率在表4中列出，將計算出的損耗轉(zhuǎn)換成各部分的生熱率，賦給電動機(jī)相應(yīng)的部位充當(dāng)熱源。

表4 損耗值與生熱率Tab.4 Loss of value and heat generation rate

扶正軸承溫度如圖3所示。由圖可知，電動機(jī)徑向溫度變化很大，軸向溫度變化不大，這主要是由于機(jī)殼外面的原油井液起到了降溫作用，帶走了大量熱量，而電動機(jī)氣隙及轉(zhuǎn)軸內(nèi)腔的油路循環(huán)系統(tǒng)在軸向上起到了轉(zhuǎn)子向定子傳熱、促進(jìn)電動機(jī)軸向溫度均衡的作用，減小了軸向溫度梯度。

電動機(jī)溫度最高處位于轉(zhuǎn)子部分，最高溫度約為129℃，其中扶正軸承的最高溫度約為128℃，可知扶正軸承的工作溫度很高。

圖3 扶正軸承的溫升圖Fig.3 Temperature figure of rotor bearing

2.2.3 實驗對比

考慮到工藝以及潛油電動機(jī)的主要發(fā)熱部位，選擇在電動機(jī)尾部以及定子槽的內(nèi)部和外部各埋入一根直徑為2 mm的T型熱電偶，并對埋置點進(jìn)行編號，將已編號的熱電偶補償線依次連接到溫度測試儀上。為了模擬潛油電動機(jī)的實際情況，實驗采用加溫裝置對電動機(jī)外圍循環(huán)流體進(jìn)行加熱處理，使其達(dá)到模擬環(huán)境溫度為90℃井液的目的，并調(diào)整流速為0.3 m/s。

起動水循環(huán)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，待水溫以及電動機(jī)溫度穩(wěn)定后，調(diào)整測功機(jī)使?jié)撚碗妱訖C(jī)額定負(fù)載運行，測試電動機(jī)的溫度，每10 min記錄1次。將穩(wěn)定后的各測溫點溫度的平均值得出的溫升記錄在表5中。

表5 額定運行時各點溫度測試結(jié)果Tab.5 The test results for each point temperature rated operation

將計算所得溫度與實驗所得溫度進(jìn)行對比，所得結(jié)果記錄在表6中?？煽闯?，二者所得結(jié)果基本相符，相對誤差在允許范圍內(nèi)。該電動機(jī)的絕緣等級為H級，由圖3可知各部分的溫度都在極限溫度以下，且除鈦合金定子溫升較高外，其他幾種材料基本接近。

表6 電動機(jī)內(nèi)部最高溫度相對誤差Tab.6 Relative error of the maximum temperature inside the motor

另外，仿真值與測試值在數(shù)值上有一定差距，原因是所采用的循環(huán)流體是水，而不是原油，這導(dǎo)致電動機(jī)的散熱性能提高，電動機(jī)溫升變小。

上述仿真結(jié)果可直觀地反應(yīng)出電動機(jī)內(nèi)部各部分的溫升情況，由于不同材料在不同溫度下的強度不同，所以利用上述溫度場的仿真結(jié)果結(jié)合各材料在相應(yīng)溫度下的強度值對扶正軸承進(jìn)行強度仿真，驗證相應(yīng)溫度下該材料的強度是否能實現(xiàn)多點支撐，保證電動機(jī)可靠運行。

2.3 強度計算

由于潛油電動機(jī)分段處主要起到多點支撐的作用，且轉(zhuǎn)子掃鏜是潛油電動機(jī)的主要故障之一，所以為保證電動機(jī)可靠運行，對其進(jìn)行強度計算。

2.3.1 基本假設(shè)

潛油電動機(jī)立式工作，整個轉(zhuǎn)子重力作用于止推軸承上，扶正軸承起到多點支撐及防止掃膛的作用。就電動機(jī)分段處局部建模研究受力時，扶正軸承除支撐作用外，還承受單節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的重力作用。為簡化計算，做如下假設(shè)：

1)假設(shè)位于扶正軸承上端且與扶正軸承相連接的那段轉(zhuǎn)子重力都集中分布在扶正軸承上。

2)忽略扶正軸承與端環(huán)及導(dǎo)條之間互感的影響。

2.3.2 計算結(jié)果

采用同一模型為求解區(qū)域，針對不同材料，對其溫度場與結(jié)構(gòu)靜力進(jìn)行耦合分析，得出扶正軸承在高溫條件下的形變圖如圖4所示，應(yīng)力分布圖如圖5所示。核算電動機(jī)在額定運行時是否超出了材料的許用應(yīng)力[14]。

圖4 扶正軸承的形變圖Fig.4 Deformation distribution of rotor bearing

圖5 扶正軸承的應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution of rotor bearing

各種材料所受應(yīng)力列在表7中。由表可知，潛油電動機(jī)在工作溫度情況下扶正軸承上的應(yīng)力均小于材料的強度極限值。但材料的許用應(yīng)力安全系數(shù)一般在1.5～2.0之內(nèi)，鎳鐵合金和鋁合金所受應(yīng)力接近極限值，所以不符合材料的安全條件；鈦合金所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于安全系數(shù)范圍，處于絕對安全位置；40Cr所受應(yīng)力的安全系數(shù)為1.69，在安全系數(shù)范圍內(nèi)，所以適合制作扶正軸承，不會影響電動機(jī)正常工作。

表7 各種材料所受應(yīng)力Tab.7 The stress of various materials

根據(jù)表8列出的計算結(jié)果可看出，上述材料的形變量都較小，均可滿足電動機(jī)的可靠運行。綜合強度計算所得結(jié)果，可知對于長期工作的潛油電動機(jī)，40Cr能更好地實現(xiàn)多點支撐的目的。

表8 扶正軸承軸向形變Tab.8 Rotor bearing axial deformation

3 分段處尺寸變化對電動機(jī)耦合特性的影響

圖6 潛油電動機(jī)單段定子隔磁段漏抗曲線Fig.6 Single-stage stator magnetic isolated segment of submersible motor leakage reactance curve

圖6～圖8分別為潛油電動機(jī)單段定子隔磁段漏抗曲線、受力曲線和溫度曲線。由圖6可知，潛油電動機(jī)隔磁段漏抗隨隔磁段軸向長度的加長而變大，但由圖7可知，如果隔磁段軸向太窄，扶正軸承無法承受多點支撐所需的機(jī)械強度。同時由圖8可知，隔磁段軸向長度的大小對溫度影響不大，因為扶正軸承中的渦流損耗很小，產(chǎn)生的熱量很少。相比轉(zhuǎn)子及導(dǎo)條這些發(fā)熱較多的部位，扶正軸承對電動機(jī)整體的溫升影響不大。對于大功率潛油電動機(jī)，設(shè)計時一定要充分考慮隔磁段軸向?qū)挾鹊膯栴}。

圖7 潛油電動機(jī)單段定子隔磁段受力曲線Fig.7 Single-stage stator magnetic isolated segment of submersible motor force curve

圖8 潛油電動機(jī)單段定子隔磁段溫度曲線Fig.8 Single-stage stator magnetic isolated segment of submersible motor temperature curve

4 結(jié)論

1)由溫度場計算結(jié)果可知，電動機(jī)各部分溫度均勻，連發(fā)熱最嚴(yán)重的導(dǎo)條的溫度也在電動機(jī)絕緣等級H級的固定極限溫度以下，電動機(jī)可穩(wěn)定運行。可進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)載電荷，使定子軛部磁通密度升高，轉(zhuǎn)子齒部磁通密度下降，這樣可有效調(diào)整電動機(jī)內(nèi)部溫度。

2)由機(jī)械強度的計算結(jié)果可知，扶正軸承處受力較大，對材料機(jī)械性能要求較高，考慮到潛油電動機(jī)工作的長期性以及材料的疲勞極限，采用40Cr能更好地實現(xiàn)扶正軸承多點支撐的目的，保證電動機(jī)的穩(wěn)定運行。

3)由40Cr制成扶正軸承時，渦流損耗相對較小，傳熱好，無過熱點，且應(yīng)力分布均勻，可實現(xiàn)潛油電動機(jī)多點支撐的目的，相比本文提到的其他材料優(yōu)勢明顯，更適合做成扶正軸承。

4)潛油電動機(jī)隔磁段軸向?qū)挾葘﹄妱訖C(jī)性能影響較大，設(shè)計時一定要充分考慮漏抗及機(jī)械強度等各方面因素，從而選擇合理的隔磁段寬度。求解得到潛油電動機(jī)端部漏抗曲線族，可在今后的潛油電動機(jī)設(shè)計中插值使用。

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Coupling Characteristics Research on Electromagnetism and Temperature and Force of the Magnetic Isolated Segment in the Submersible Motor

XuYongmingJiangZhiguoAiMengmeng

(Electrical and Electronic Engineering College Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China)

For the multi-physics field coupling problem in the segment of the submersible motor，the influence law of the magnetic isolated segment and the stabilizing bearing size on the eddy loss，the heat transfer，and the temperature distribution is discussed by studying the coupling characteristics of electromagnetic-thermal-force.The coupling mechanism among mechanical properties，electrical conductivity，and thermal conductivity properties of different metals or alloys are researched by establishing a coupling model of electromagnetic-force-thermal for both the magnetic isolated segment and the stabilizing bearing.The influence laws of the magnetic isolated segment and the stabilizing bearing size on the eddy loss，the heat transfer，and the temperature distribution under the condition of stress constraints are explored.The accuracy of the calculation method is proved by comparing with the experimental results.The suggested method provides the theoretical basis for studying other high-performance submersible motors.

Submersible motors，leakage reactance，eddy current loss，coupled heat transfer，stress distribution

國家自然科學(xué)基金(51207036)和教育部博士點基金(20122303120002)資助項目。

2014-12-01 改稿日期2015-05-28

TM301.4

徐永明 男，1979年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為特種電動機(jī)及變壓器。(通信作者)

蔣治國 男，1989年生，碩士，研究方向為特種電動機(jī)。