蔣燕飛，黃 濤,2，周曉東，寧遠濤,2，張延順,2，陳 琦,2

(1.上海裕達實業(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]。電機是分子泵實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子動能傳輸給氣體分子進而被壓縮排出的核心動力部件[2]。目前，真空領(lǐng)域的分子泵，以應(yīng)用無刷直流電機作為核心動力部件最為廣泛，對電機的轉(zhuǎn)速要求常常達到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，且要求在此轉(zhuǎn)速下運行平穩(wěn)，保障穩(wěn)定的抽氣性能。與此同時，真空環(huán)境下，電機的散熱條件差，對電機穩(wěn)定工作時的效率提出了更高的要求[3]。

電機溫升是電機設(shè)計時關(guān)心的綜合指標，電機所用的銅線、絕緣材料等按絕緣等級有耐溫要求，過高的溫升會導(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，常常從提高電機的效率或者改善散熱方式兩方面去優(yōu)化。通常可以用水冷機殼、風(fēng)扇等方式，加快熱交換，盡快將熱量帶走的方式來對電機進行降溫，以使電機溫升維持在合理的范圍[4-7]。但是，對于真空環(huán)境而言，顯然無法通過增加空氣對流的方式來對電機進行降溫，而用水冷降溫的方式將會使得電機的體積增加，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。因此，在真空環(huán)境下，只能通過提高電機本身的性能，降低損耗，提升運行效率來降低控制電機溫升。關(guān)于提高永磁同步電機工作效率的方法，已有大量研究，主要從降低銅耗和鐵耗兩個方面進行電磁場優(yōu)化設(shè)計[8-9]。不同工況下，優(yōu)化設(shè)計的方向不同。

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為原型，實測并分析了其溫升過高產(chǎn)生的根本原因，根據(jù)其實際使用工況，在不改變現(xiàn)有電機體積、不增加成本，不增加加工工藝難度的基礎(chǔ)上，著重對電機的鐵耗進行優(yōu)化設(shè)計。與此同時，針對目前電機槽滿率過高導(dǎo)致的加工工藝性差的問題，也進行了優(yōu)化設(shè)計。仿真分析及實驗驗證表明，優(yōu)化設(shè)計方案準確有效。這對整個分子泵系統(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，其電機截面圖如圖1所示，電機采用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、單對極磁環(huán)、碳纖維護套、定子鐵心。定子槽型為平底槽，電機具體參數(shù)如表1所示。

圖1 無刷直流電機截面圖

表1 電機主要參數(shù)

2 溫升分析測試及工況分析

2.1 溫升測試

分子泵如圖2所示，其轉(zhuǎn)速為72 000 r/min，電機為無刷直流電機。經(jīng)測試，該分子泵各項性能指標均能滿足設(shè)計指標技術(shù)要求，但與國外同類產(chǎn)品測試時對比發(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)熱來源主要為電機和軸承，為了解溫升源頭，在電機及軸承處分別安裝溫度傳感器，測試數(shù)據(jù)如表2所示，結(jié)果表明溫升差異主要來源于電機。

圖2 分子泵實物圖

表2 兩款泵溫升測試對比

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

2.2 電機損耗及溫升分析

電機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)、機械損耗。由于該款分子泵中電機定子和轉(zhuǎn)子直接分別安裝于泵體機殼內(nèi)及轉(zhuǎn)軸上，電機無獨立軸承支承，因此本方案不考慮機械損耗。

定轉(zhuǎn)子鐵心損耗主要是主磁場在鐵心內(nèi)發(fā)生變化時所產(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。

鐵心中磁場變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢引起感生電流，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主要為繞組中的電氣損耗，簡稱銅耗。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。

電機溫度的升高是由于電機運行過程中產(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，電機傳熱方式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。然而，電機定、轉(zhuǎn)子分別安裝于分子泵腔體內(nèi)，正常工作狀態(tài)時，腔體內(nèi)部處于高真空狀態(tài)，電機無法以熱對流的方式進行散熱，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，分子泵電機溫度場問題可以描述如下：

(4)

式中：Kx，Ky，Kz分別為電機各介質(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為時間；S1為電動機絕緣邊界面；S2為電機的散熱邊界面；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為兩個平面的角系數(shù)；ε是平面的總發(fā)射率；Ti、Tj分別為兩個平面的溫度[11]。

2.3 分子泵工況分析

為全面了解分子泵電機實際工況，運用電機設(shè)計軟件Motor CAD對現(xiàn)有電機進行電磁場仿真計算。

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

圖3 原電機效率Map圖

圖4 電機實際工況曲線

由圖4可知，分子泵電機最大轉(zhuǎn)矩工作點位于起動瞬間，此時電機轉(zhuǎn)速較低；當達到額定轉(zhuǎn)速72 000 r/min時，電機功率達到最大值，整個起動加速時間約為1.5 min；當轉(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)下長期工作。此時電機負載很輕，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 電機優(yōu)化設(shè)計及有限元分析

由式(1)、式(2)可知，電機鐵耗與材料厚度、磁通密度、電機頻率、電阻率、鋼片密度有關(guān)。電機頻率受電機最小極對數(shù)限制，已經(jīng)是最低1對極。已有分子泵系統(tǒng)選用的電機硅鋼片厚度為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格提升10倍，從經(jīng)濟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)

對原無刷直流電機進行電磁場有限元分析，額定工作時磁云圖如圖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，適當增加齒部寬度及軛部寬度，選用更低牌號的磁鋼來降低齒部及軛部磁密，從而降低鐵耗。此外，原方案電機槽滿率較高，繞線難度較大，嚴重增加了電機的生產(chǎn)難度和次品率。根據(jù)實測工況，分子泵長時間穩(wěn)定工作時，電機輸出轉(zhuǎn)矩小，銅耗較小，可以適當降低槽滿率，提高穩(wěn)定工作時的電流密度。優(yōu)化后的電機磁云分布圖如圖5(b)所示。其齒部磁密為0.65 T，軛部磁密為0.6 T。綜合性能對比如表3所示。

圖5 優(yōu)化前后電機磁云圖

表3 額定工況電機參數(shù)對比

3.2 溫度場有限元分析

根據(jù)上節(jié)設(shè)計的電機參數(shù)，結(jié)合分子泵實際工作環(huán)境，確定各部分散熱系數(shù)。對優(yōu)化前后的兩款電機溫升進行有限元分析計算，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后電機定子溫升仿真結(jié)果

從圖6中可以看出，優(yōu)化后，電機定子部位溫升明顯降低。優(yōu)化前，電機工作1 h左右，電機溫度不再升高，達到熱平衡狀態(tài)，最大溫升為26 ℃。優(yōu)化后電機工作0.5 h左右，達到熱平衡狀態(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 實驗驗證

為驗證仿真模型的正確性與仿真結(jié)果的準確性，將優(yōu)化后的電機裝入分子泵內(nèi)，如圖7所示，并用內(nèi)置傳感器監(jiān)測的方式對電機溫升進行監(jiān)控記錄，將得到的結(jié)果與上述仿真結(jié)果進行對比，如表4所示。

表4 電機實測值與仿真結(jié)果對比

通過表4可以看出，電機溫升實測值比仿真值略高，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)，從而驗證了有限元仿真模型的有效性與正確性。與優(yōu)化前電機溫升對比，優(yōu)化后溫升降低了8.3 ℃，與國外同類產(chǎn)品溫升比較，略優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，驗證了本方案的有效性和準確性。本方案可以為此類工況的電機設(shè)計仿真和實驗提供參考，同時為該類型電機的設(shè)計優(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，對高速永磁電機的溫升設(shè)計提出更高的要求。結(jié)合電機實際工況，對電機進行優(yōu)化設(shè)計是電機設(shè)計的必然趨勢。本文以某型分子泵用無刷直流電機為原型，通過實測并結(jié)合效率云圖分析的方法，得到分子泵實際工況，找到現(xiàn)有電機工作損耗大、溫升高的根本原因，從降低電機鐵耗的優(yōu)化方向?qū)﹄姍C進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過仿真及實驗，優(yōu)化后的電機運行時溫升更小。分子泵整體性能可以與國外同類分子泵產(chǎn)品相比擬，這對分子泵產(chǎn)品核心部件國產(chǎn)化具有非常重要的意義。