蔣燕飛，黃 濤,2，周曉東，寧遠(yuǎn)濤,2，張延順,2，陳 琦,2

(1.上海裕達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，上海 200240； 2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240； 3.上海航天技術(shù)研究院，上海 200240)

0 引 言

分子泵作為實(shí)現(xiàn)高真空環(huán)境設(shè)備的主要組成部分，被廣泛應(yīng)用在航天航空、光學(xué)工程等領(lǐng)域的教學(xué)和科研中[1]。電機(jī)是分子泵實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子動(dòng)能傳輸給氣體分子進(jìn)而被壓縮排出的核心動(dòng)力部件[2]。目前，真空領(lǐng)域的分子泵，以應(yīng)用無刷直流電機(jī)作為核心動(dòng)力部件最為廣泛，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求常常達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，且要求在此轉(zhuǎn)速下運(yùn)行平穩(wěn)，保障穩(wěn)定的抽氣性能。與此同時(shí)，真空環(huán)境下，電機(jī)的散熱條件差，對(duì)電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的效率提出了更高的要求[3]。

電機(jī)溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)心的綜合指標(biāo)，電機(jī)所用的銅線、絕緣材料等按絕緣等級(jí)有耐溫要求，過高的溫升會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，永磁體矯頑力降低而導(dǎo)致不可逆退磁。為了降低溫升，常常從提高電機(jī)的效率或者改善散熱方式兩方面去優(yōu)化。通?？梢杂盟錂C(jī)殼、風(fēng)扇等方式，加快熱交換，盡快將熱量帶走的方式來對(duì)電機(jī)進(jìn)行降溫，以使電機(jī)溫升維持在合理的范圍[4-7]。但是，對(duì)于真空環(huán)境而言，顯然無法通過增加空氣對(duì)流的方式來對(duì)電機(jī)進(jìn)行降溫，而用水冷降溫的方式將會(huì)使得電機(jī)的體積增加，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。因此，在真空環(huán)境下，只能通過提高電機(jī)本身的性能，降低損耗，提升運(yùn)行效率來降低控制電機(jī)溫升。關(guān)于提高永磁同步電機(jī)工作效率的方法，已有大量研究，主要從降低銅耗和鐵耗兩個(gè)方面進(jìn)行電磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-9]。不同工況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向不同。

本文以上海衛(wèi)星裝備研究所某型儀器用分子泵用無刷直流電機(jī)為原型，實(shí)測(cè)并分析了其溫升過高產(chǎn)生的根本原因，根據(jù)其實(shí)際使用工況，在不改變現(xiàn)有電機(jī)體積、不增加成本，不增加加工工藝難度的基礎(chǔ)上，著重對(duì)電機(jī)的鐵耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，針對(duì)目前電機(jī)槽滿率過高導(dǎo)致的加工工藝性差的問題，也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)確有效。這對(duì)整個(gè)分子泵系統(tǒng)的自主化研制具有非常重要的意義。

1 已有電機(jī)模型及參數(shù)

該型復(fù)合分子泵用40 mm口徑的無刷直流電機(jī)，其電機(jī)截面圖如圖1所示，電機(jī)采用12槽，2極結(jié)構(gòu)，永磁體為環(huán)形結(jié)構(gòu)。從內(nèi)向外依次為轉(zhuǎn)軸、單對(duì)極磁環(huán)、碳纖維護(hù)套、定子鐵心。定子槽型為平底槽，電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)截面圖

表1 電機(jī)主要參數(shù)

2 溫升分析測(cè)試及工況分析

2.1 溫升測(cè)試

分子泵如圖2所示，其轉(zhuǎn)速為72 000 r/min，電機(jī)為無刷直流電機(jī)。經(jīng)測(cè)試，該分子泵各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)技術(shù)要求，但與國(guó)外同類產(chǎn)品測(cè)試時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其溫升明顯偏高。分析可知，分子泵工作過程中，其發(fā)熱來源主要為電機(jī)和軸承，為了解溫升源頭，在電機(jī)及軸承處分別安裝溫度傳感器，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，結(jié)果表明溫升差異主要來源于電機(jī)。

圖2 分子泵實(shí)物圖

表2 兩款泵溫升測(cè)試對(duì)比

由于溫度升高對(duì)電機(jī)的絕緣和使用壽命有很大影響，會(huì)降低分子泵產(chǎn)品可靠性，因此，本文主要研究一種降低真空環(huán)境分子泵電機(jī)溫升的設(shè)計(jì)方法，并做出優(yōu)化方案，最終保證分子泵整體發(fā)熱不高于對(duì)標(biāo)國(guó)外品牌分子泵(即不超過20 ℃)。

2.2 電機(jī)損耗及溫升分析

電機(jī)損耗主要由三部分組成：定轉(zhuǎn)子鐵心損耗(鐵耗)、電氣損耗(銅耗)、機(jī)械損耗。由于該款分子泵中電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子直接分別安裝于泵體機(jī)殼內(nèi)及轉(zhuǎn)軸上，電機(jī)無獨(dú)立軸承支承，因此本方案不考慮機(jī)械損耗。

定轉(zhuǎn)子鐵心損耗主要是主磁場(chǎng)在鐵心內(nèi)發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。

磁滯損耗ph是鐵磁物質(zhì)內(nèi)由交變磁化作用引起的磁滯損耗，它與磁場(chǎng)的磁通密度B以及交變的頻率f有關(guān)，即：

ph=σ′hfBa

(1)

式中：σ′h為取決于材料性能的常數(shù)；a一般取1.6～2.2。

鐵心中磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起感生電流，這種渦流引起的損耗稱為渦流損耗[10]。渦流損耗pe可由下式計(jì)算得到：

(2)

式中：pe與磁通密度B、頻率f及材料厚度ΔFe的二次方成正比，與電阻率ρ和鋼片密度dFe成反比。

電氣損耗在無刷直流電機(jī)主要為繞組中的電氣損耗，簡(jiǎn)稱銅耗。根據(jù)焦耳-楞次定律，繞組電氣損耗與繞組中電流的平方與電阻的乘積成正比，即：

pCu=mI2R

(3)

式中：I為繞組電流；R為繞組電阻。

電機(jī)溫度的升高是由于電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種損耗轉(zhuǎn)化成了熱能、這些熱能來不及耗散而引起的。通常，電機(jī)傳熱方式有三種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。然而，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子分別安裝于分子泵腔體內(nèi)，正常工作狀態(tài)時(shí)，腔體內(nèi)部處于高真空狀態(tài)，電機(jī)無法以熱對(duì)流的方式進(jìn)行散熱，僅能以熱傳導(dǎo)和熱輻射的形式將熱量散發(fā)出去，散熱的效率非常低[11]。

因此，分子泵電機(jī)溫度場(chǎng)問題可以描述如下：

(4)

式中：Kx，Ky，Kz分別為電機(jī)各介質(zhì)x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T為物體溫度；q為熱源密度；c為比熱容；γ為材料密度；τ為時(shí)間；S1為電動(dòng)機(jī)絕緣邊界面；S2為電機(jī)的散熱邊界面；K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù)；α為S2面的散熱系數(shù)；Te為S2周圍介質(zhì)的溫度時(shí)間函數(shù)；Qi-j是由平面i到平面j傳遞的熱量；Ai是平面i的面積；Fij為兩個(gè)平面的角系數(shù)；ε是平面的總發(fā)射率；Ti、Tj分別為兩個(gè)平面的溫度[11]。

2.3 分子泵工況分析

為全面了解分子泵電機(jī)實(shí)際工況，運(yùn)用電機(jī)設(shè)計(jì)軟件Motor CAD對(duì)現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真計(jì)算。

同時(shí)，對(duì)分子泵從起動(dòng)開始加速至額定轉(zhuǎn)速72 000 r/min及穩(wěn)速后的實(shí)際工作過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄輸入電壓、電流及電機(jī)轉(zhuǎn)速等監(jiān)測(cè)參數(shù)，效率Map圖如圖3所示，模擬出電機(jī)工作T-n-t曲線，如圖4所示。

圖3 原電機(jī)效率Map圖

圖4 電機(jī)實(shí)際工況曲線

由圖4可知，分子泵電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)位于起動(dòng)瞬間，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低；當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速72 000 r/min時(shí)，電機(jī)功率達(dá)到最大值，整個(gè)起動(dòng)加速時(shí)間約為1.5 min；當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)矩大幅下降后保持穩(wěn)定，分子泵在該狀態(tài)下長(zhǎng)期工作。此時(shí)電機(jī)負(fù)載很輕，相電流很小，鐵耗約為2.37 W，銅耗約為0.11 W，鐵耗遠(yuǎn)大于銅耗，為引起分子泵溫升高的主要原因。因此，考慮以降低鐵耗作為主要優(yōu)化方向。

3 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

由式(1)、式(2)可知，電機(jī)鐵耗與材料厚度、磁通密度、電機(jī)頻率、電阻率、鋼片密度有關(guān)。電機(jī)頻率受電機(jī)最小極對(duì)數(shù)限制，已經(jīng)是最低1對(duì)極。已有分子泵系統(tǒng)選用的電機(jī)硅鋼片厚度為0.2 mm，若選用更薄的硅鋼片(0.1 mm)可有效降低鐵耗，但該硅鋼片原材料價(jià)格提升10倍，從經(jīng)濟(jì)性方面暫不考慮更換該材料。在材料不改變的情況下，降低磁通密度可以降低鐵耗。

3.1 模型參數(shù)

對(duì)原無刷直流電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元分析，額定工作時(shí)磁云圖如圖5(a)所示，從圖5(a)中可以分析得到齒部及軛部磁密分別約為0.75 T、0.93 T，適當(dāng)增加齒部寬度及軛部寬度，選用更低牌號(hào)的磁鋼來降低齒部及軛部磁密，從而降低鐵耗。此外，原方案電機(jī)槽滿率較高，繞線難度較大，嚴(yán)重增加了電機(jī)的生產(chǎn)難度和次品率。根據(jù)實(shí)測(cè)工況，分子泵長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小，銅耗較小，可以適當(dāng)降低槽滿率，提高穩(wěn)定工作時(shí)的電流密度。優(yōu)化后的電機(jī)磁云分布圖如圖5(b)所示。其齒部磁密為0.65 T，軛部磁密為0.6 T。綜合性能對(duì)比如表3所示。

圖5 優(yōu)化前后電機(jī)磁云圖

表3 額定工況電機(jī)參數(shù)對(duì)比

3.2 溫度場(chǎng)有限元分析

根據(jù)上節(jié)設(shè)計(jì)的電機(jī)參數(shù)，結(jié)合分子泵實(shí)際工作環(huán)境，確定各部分散熱系數(shù)。對(duì)優(yōu)化前后的兩款電機(jī)溫升進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后電機(jī)定子溫升仿真結(jié)果

從圖6中可以看出，優(yōu)化后，電機(jī)定子部位溫升明顯降低。優(yōu)化前，電機(jī)工作1 h左右，電機(jī)溫度不再升高，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，最大溫升為26 ℃。優(yōu)化后電機(jī)工作0.5 h左右，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，最大溫升為18.5 ℃，比優(yōu)化前降低7.5 ℃，優(yōu)化效果顯著。

圖7 分子泵工作狀態(tài)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的正確性與仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將優(yōu)化后的電機(jī)裝入分子泵內(nèi)，如圖7所示，并用內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)的方式對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行監(jiān)控記錄，將得到的結(jié)果與上述仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 電機(jī)實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果對(duì)比

通過表4可以看出，電機(jī)溫升實(shí)測(cè)值比仿真值略高，誤差為6.5%左右?？紤]到材料參數(shù)誤差、生產(chǎn)工藝因素的影響，該誤差在正?？山邮芊秶鷥?nèi)，從而驗(yàn)證了有限元仿真模型的有效性與正確性。與優(yōu)化前電機(jī)溫升對(duì)比，優(yōu)化后溫升降低了8.3 ℃，與國(guó)外同類產(chǎn)品溫升比較，略優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，驗(yàn)證了本方案的有效性和準(zhǔn)確性。本方案可以為此類工況的電機(jī)設(shè)計(jì)仿真和實(shí)驗(yàn)提供參考，同時(shí)為該類型電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供思路和依據(jù)。

5 結(jié) 語

真空環(huán)境下，散熱條件差，對(duì)高速永磁電機(jī)的溫升設(shè)計(jì)提出更高的要求。結(jié)合電機(jī)實(shí)際工況，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。本文以某型分子泵用無刷直流電機(jī)為原型，通過實(shí)測(cè)并結(jié)合效率云圖分析的方法，得到分子泵實(shí)際工況，找到現(xiàn)有電機(jī)工作損耗大、溫升高的根本原因，從降低電機(jī)鐵耗的優(yōu)化方向?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過仿真及實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后的電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升更小。分子泵整體性能可以與國(guó)外同類分子泵產(chǎn)品相比擬，這對(duì)分子泵產(chǎn)品核心部件國(guó)產(chǎn)化具有非常重要的意義。