水下电机损耗加载方式及温度场耦合分析

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中国石油大学（华东）机电工程学院的研究人员张琦、李增亮等，在2018年第5期《电工技术学报》上撰文指出，温度场研究对水下电机稳定运行至关重要。

本文考虑旋转磁场和谐波磁场的影响，分析定子不同区域铁耗密度分布规律，考虑绕组和导条的电阻、润滑油黏度与电机温度的关系，分析铜耗和油摩损耗的变化规律，由此采用一种铁耗空间分布加载与油摩损耗和铜耗变量加载的方式对水下电机温度场计算模型进行耦合分析，得出的电机温度结果明显小于采用损耗均布加载方式所得结果，最高温度下降70.4%，设计正交试验得出各因素影响温度场的重要性次序，通过水池试验验证此加载方式对水下电机温度场研究的合理性。

水下混输增压系统的应用不仅解决了常规技术难以开采高油气比油井的问题，而且节省了水下生产系统及平台建设的投资运行费用，因而已成为海洋石油装备领域研究的热点。

水下混输增压系统如图1所示，其中水下电机作为动力设备，必须具有较大功率，相应的电磁损耗也较大，会使铁心、绕组、导条等温度升高。不同于普通电机的空冷方式，水下电机受工作环境的限制，采用润滑油作为冷却介质，但由于润滑油的黏性作用，会在转子外表面产生油摩损耗，在冷却电机的同时，也会增加电机局部温度，一旦局部温度超过绝缘温度，势必影响电机工作寿命。

水下环境中电机需承受一定压力（水深1000~1500m），采用压力补偿器来平衡电机内外压差，局部温度过高还会造成润滑油氧化速度加快、黏度上升，易堵塞润滑管路，破坏压力补偿器动平衡关系，使电机机械密封存在安全隐患，因此明确温度分布情况对水下稳定运行至关重要。

图1  水下混输增压系统

温度场研究的前提是明确损耗的加载方式。在普通电机温度场分析中，损耗加载方式是将电机损耗以平均热源的方式加载到相应求解域内，所得温度与实际温度有一定偏差，主要是由于铁耗分布不均匀，且传统Bertotti模型只能计算交变磁化下的铁耗，同时忽略电机损耗与温度间关系，将其看作常量。

目前已有很多文献对电机温度场进行了研究，在普通电机温度场分析中多采用等效导热系数和表面散热系数来解决流固间热交换问题，相关计算公式很多且各不相同，并主要应用在空冷电机中，对于以润滑油为冷却介质的水下电机温度场研究很难准确选取其中的一种公式进行计算，同时计算公式中参数只能近似估算，这些不确定因素都会对温度分析结果造成一定影响。

综合上述分析，本文基于流固耦合的方法，采用铁耗空间分布加载与油摩损耗和铜耗变量加载的方式进行水下电机温度场耦合分析，并通过水池试验对比仿真结果。

图12  试验装置三维图及主要设备

结论

本文基于流固耦合的方法，对水下电机损耗加载方式及温度场进行了分析，得出以下结论：

1）定子铁耗密度沿径向呈减小的趋势，其最大值出现在齿顶区域位置，齿中区域铁耗密度保持不变，齿轭部交界区域越靠近中间，铁耗密度越大，轭部区域位置铁耗密度最小且沿切向变化趋势较为平缓；铜耗随电机温度的升高而逐渐增加；油摩损耗随电机温度和润滑油轴向速度的增加而逐渐降低。

2）转子温度沿轴向分布，在气隙出口位置温度最高，最高温度为37 °C，采用损耗均布加载的方式所得出的电机最高温度为125 °C，从而可以看出本文采用的损耗加载方式所得出的电机温度明显下降，并得出了影响水下电机温度的最显著因素为气隙入口温度。

3）搭建了水下电机的试验装置，进行了水池试验，试验结果表明测试温度与仿真温度较为接近，说明本文采用的损耗加载方式计算水下电机温度结果较为合理。