兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套的多物理場特性解析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)和能源領(lǐng)域中，電機(jī)作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為一種特殊類型的電機(jī)，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢，在核電、石油化工等對(duì)安全性和可靠性要求極高的關(guān)鍵領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的重要作用。在核電領(lǐng)域，核主泵作為核電站一回路的核心設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為核主泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過兩套屏蔽套將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組與輸送介質(zhì)完全隔離，有效防止了介質(zhì)泄漏對(duì)電機(jī)內(nèi)部部件的腐蝕和損壞，大大提高了電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。在石油化工行業(yè)，一些易燃易爆、有毒有害的介質(zhì)輸送也需要使用具有高度密封性和可靠性的電機(jī)，雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)同樣能夠滿足這些特殊工況的需求，保障生產(chǎn)過程的安全進(jìn)行。屏蔽套作為雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特有結(jié)構(gòu)件，對(duì)電機(jī)的性能起著至關(guān)重要的影響。一方面，屏蔽套能夠有效隔離電機(jī)內(nèi)部的電磁場與外部環(huán)境，減少電磁干擾對(duì)周圍設(shè)備的影響，同時(shí)也防止外部磁場對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場的干擾，保證電機(jī)磁場的穩(wěn)定性和均勻性，從而提高電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。另一方面，屏蔽套還承擔(dān)著密封作用，防止輸送介質(zhì)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，保護(hù)電機(jī)繞組和其他關(guān)鍵部件不受介質(zhì)的侵蝕，延長電機(jī)的使用壽命。然而，屏蔽套在電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)受到交變磁場的作用，產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，這些損耗會(huì)導(dǎo)致屏蔽套發(fā)熱，進(jìn)而影響電機(jī)的溫度分布和運(yùn)行性能。如果屏蔽套的電磁和熱問題得不到妥善解決，不僅會(huì)降低電機(jī)的效率，增加能耗，還可能導(dǎo)致電機(jī)過熱，引發(fā)故障，嚴(yán)重威脅到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，深入研究兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套的電磁與熱問題，對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論方面來看，研究屏蔽套的電磁與熱問題有助于揭示電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的電磁和熱物理過程，豐富和完善電機(jī)的設(shè)計(jì)理論，為新型高性能電機(jī)的研發(fā)提供理論支持。通過對(duì)屏蔽套電磁與熱問題的研究，可以建立更加準(zhǔn)確的電機(jī)模型，深入分析電機(jī)內(nèi)部電磁場和溫度場的分布規(guī)律，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用角度而言，掌握屏蔽套的電磁與熱特性，能夠指導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，提高電機(jī)的性能和可靠性。在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)屏蔽套的電磁與熱分析結(jié)果，合理選擇屏蔽套的材料、厚度和結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化電機(jī)的散熱系統(tǒng)，降低屏蔽套的損耗和溫度，提高電機(jī)的效率和使用壽命。在電機(jī)運(yùn)行過程中，通過對(duì)屏蔽套電磁與熱狀態(tài)的監(jiān)測和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防和處理，保障電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低設(shè)備維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在核電、石油化工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其屏蔽套的電磁與熱問題受到了國內(nèi)外學(xué)者和工程師的高度關(guān)注，相關(guān)研究取得了一系列重要成果。在國外，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。美國西屋電氣公司在核電用雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)屏蔽套的電磁和熱性能進(jìn)行了深入研究，通過優(yōu)化屏蔽套的材料和結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)的效率和可靠性。日本三菱電機(jī)公司也在屏蔽電機(jī)領(lǐng)域開展了大量研究工作，采用先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)屏蔽套的渦流損耗、溫度場分布等問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供了重要依據(jù)。德國西門子公司則注重從理論上深入研究屏蔽套的電磁特性，建立了完善的數(shù)學(xué)模型，通過理論分析和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，揭示了屏蔽套電磁現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的理論支持。國內(nèi)在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套研究方面起步相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速。哈爾濱理工大學(xué)的梁艷萍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)大型核主泵驅(qū)動(dòng)用雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子屏蔽套渦流損耗計(jì)算復(fù)雜的問題，提出了一種將二維有限元法與解析法相結(jié)合的混合算法，有效解決了屏蔽套渦流損耗計(jì)算過程中計(jì)算精度與計(jì)算速度的矛盾。該算法以有限元二維磁場數(shù)值分析為基礎(chǔ)，結(jié)合麥克斯韋方程組，推導(dǎo)了定轉(zhuǎn)子屏蔽套渦流損耗二維解析模型，并通過實(shí)例計(jì)算和對(duì)比分析，驗(yàn)證了混合算法的正確性，為準(zhǔn)確計(jì)算屏蔽套渦流損耗提供了新的方法。上海大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)運(yùn)用有限元軟件對(duì)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁場進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了屏蔽套對(duì)電機(jī)磁場分布的影響，通過改變屏蔽套的厚度、材料等參數(shù)，研究了其對(duì)電機(jī)性能的影響規(guī)律，為屏蔽套的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。此外，一些企業(yè)也積極參與到雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的研發(fā)中，如東方電氣集團(tuán)、哈爾濱電氣集團(tuán)等，通過產(chǎn)學(xué)研合作，在屏蔽套的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝等方面取得了顯著進(jìn)展，推動(dòng)了我國雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的工程應(yīng)用。盡管國內(nèi)外在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套電磁與熱問題研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在電磁問題研究方面，現(xiàn)有的計(jì)算方法在考慮屏蔽套的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和實(shí)際運(yùn)行工況時(shí)，精度還有待進(jìn)一步提高。例如，對(duì)于端部屏蔽套渦流損耗和屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗的計(jì)算，目前的方法還存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確考慮磁場透入深度和渦流端部效應(yīng)等因素的影響。在熱問題研究方面，雖然已經(jīng)開展了一些關(guān)于電機(jī)溫度場的計(jì)算和分析，但對(duì)于屏蔽套損耗與電機(jī)其他部件損耗之間的耦合關(guān)系，以及冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)整體溫度分布的影響，研究還不夠深入。此外，在屏蔽套的材料選擇和優(yōu)化方面，雖然已經(jīng)提出了一些新型材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)，但對(duì)于這些材料和結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的長期性能和可靠性，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和研究。綜上所述，目前雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套電磁與熱問題的研究仍存在一些亟待解決的問題。本文將針對(duì)這些不足，深入研究屏蔽套的電磁與熱特性，建立更加準(zhǔn)確的計(jì)算模型，提出有效的優(yōu)化方法，為兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供更可靠的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要圍繞兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套的電磁與熱問題展開深入研究，旨在全面揭示屏蔽套在電機(jī)運(yùn)行過程中的電磁和熱特性，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：屏蔽套損耗計(jì)算方法研究：針對(duì)現(xiàn)有屏蔽套損耗計(jì)算方法無法充分考慮磁場透入深度，且端部屏蔽套渦流損耗和屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗計(jì)算困難的問題，深入研究屏蔽套損耗的分布規(guī)律。通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，提出一種能夠計(jì)及磁場透入深度和渦流端部效應(yīng)的直線段屏蔽套渦流損耗計(jì)算方法。運(yùn)用疊加法，將端部屏蔽套渦流損耗、屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗從總損耗中分離出來，明確各部分損耗的具體數(shù)值和變化規(guī)律。詳細(xì)分析直線段屏蔽套渦流損耗在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變化情況，獲取端部屏蔽套電流密度的幅值和分布規(guī)律，深入探究屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流對(duì)屏蔽套電流幅值和路徑的影響。在此基礎(chǔ)上，全面揭示屏蔽套渦流損耗、屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗與屏蔽套材料、錐形環(huán)材料、支撐筒材料、壓板材料之間的內(nèi)在關(guān)系，系統(tǒng)研究屏蔽套厚度的變化對(duì)屏蔽套損耗變化規(guī)律的影響，為屏蔽套材料的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。屏蔽套溫度場計(jì)算研究：深入研究屏蔽套對(duì)電機(jī)熱源的影響機(jī)制，通過對(duì)核主泵冷卻系統(tǒng)的全面分析，準(zhǔn)確獲取雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度場的入口邊界條件。采用有限體積法對(duì)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度場進(jìn)行精確計(jì)算，清晰呈現(xiàn)屏蔽套溫度場的分布情況。對(duì)比計(jì)及屏蔽套和不計(jì)及屏蔽套時(shí)電機(jī)溫度的變化規(guī)律，明確屏蔽套損耗對(duì)電機(jī)溫度場的具體影響程度。深入掌握雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各部件的溫度場圖以及最大溫度變化曲線與冷卻條件之間的緊密聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化分析，確定雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最佳冷卻條件，為電機(jī)的散熱設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵指導(dǎo)。雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能計(jì)算研究：提出一種能夠充分計(jì)及定轉(zhuǎn)子屏蔽套的雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，建立全面準(zhǔn)確的電壓方程、磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械特性方程，并詳細(xì)給出雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中各個(gè)參數(shù)的精確計(jì)算方法。運(yùn)用該數(shù)學(xué)模型，深入分析雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過程，明確雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電源電壓暫降對(duì)電機(jī)性能的具體影響，確定雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電源電壓暫降的敏感度閾值。通過與有限元聯(lián)合仿真計(jì)算結(jié)果和計(jì)算時(shí)長進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所提數(shù)學(xué)模型的合理性和高效性，為電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能分析和控制策略制定提供有力工具。屏蔽套電磁力計(jì)算研究：根據(jù)洛倫茲力法，精確計(jì)算定轉(zhuǎn)子屏蔽套和定轉(zhuǎn)子繞組的電磁力密度，深入揭示定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套電磁力密度空間分布的差異和形成原因，準(zhǔn)確找到屏蔽套局部受力嚴(yán)重的危險(xiǎn)位置。明確屏蔽套對(duì)端部繞組電磁力的影響程度，全面分析屏蔽套材料、錐形環(huán)材料、支撐筒材料和環(huán)流對(duì)屏蔽套電磁力的影響規(guī)律，定量給出本文提出的新方法對(duì)屏蔽套電磁力的減小程度，為雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)密封性能的提升提供重要理論依據(jù)。在研究方法上，本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的綜合研究方法。理論分析方面，基于電磁學(xué)、熱力學(xué)等基本原理，對(duì)屏蔽套的電磁與熱問題進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)建模，從理論層面揭示其內(nèi)在規(guī)律。數(shù)值計(jì)算上，運(yùn)用有限元軟件ANSYS等對(duì)電機(jī)的電磁場、溫度場和電磁力進(jìn)行精確的數(shù)值模擬，通過建立詳細(xì)的模型，考慮各種實(shí)際因素的影響，得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)值計(jì)算和理論分析的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。通過這三種研究方法的有機(jī)結(jié)合，能夠全面、深入地研究兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套的電磁與熱問題，為電機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)、可靠的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及屏蔽套概述2.1雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、屏蔽套、端蓋、軸承等部件組成，各部件協(xié)同工作，確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。定子作為電機(jī)的靜止部分，由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座構(gòu)成。定子鐵芯通常采用高導(dǎo)磁率的硅鋼片疊壓而成，其內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽，用于放置定子繞組。定子繞組是由絕緣導(dǎo)線繞制而成的三相繞組，按照一定的規(guī)律分布在定子鐵芯的槽內(nèi)，當(dāng)接入三相交流電源時(shí)，定子繞組會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，為電機(jī)的運(yùn)行提供能量來源。機(jī)座則起到支撐和保護(hù)定子鐵芯與繞組的作用，通常采用鑄鐵或鋼板焊接而成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證電機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯同樣由硅鋼片疊壓而成，其外圓表面也沖有槽，用于放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式和繞線式兩種類型，在兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，常見的是鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組由嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)的導(dǎo)條和兩端的端環(huán)組成，形狀如同一個(gè)鼠籠，導(dǎo)條通常采用銅或鋁等導(dǎo)電性能良好的材料制成。轉(zhuǎn)軸則通過鍵與轉(zhuǎn)子鐵芯連接，將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給負(fù)載，它需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩和各種作用力。屏蔽套是雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，分為定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套，分別安裝在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的外側(cè)。定子屏蔽套位于定子鐵芯內(nèi)圓與定子繞組之間，轉(zhuǎn)子屏蔽套則位于轉(zhuǎn)子鐵芯外圓與轉(zhuǎn)子繞組之間。屏蔽套通常采用非導(dǎo)磁的金屬材料制成，如哈氏合金、超級(jí)奧氏體不銹鋼等，這些材料具有良好的耐腐蝕性和較高的電導(dǎo)率，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)內(nèi)部電磁場的屏蔽以及對(duì)輸送介質(zhì)的密封。屏蔽套的厚度一般較薄，通常在0.5-1.5mm之間，既要保證其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又要盡量減少對(duì)電機(jī)電磁性能的影響。端蓋安裝在機(jī)座的兩端，主要用于支撐轉(zhuǎn)子的軸承，并起到保護(hù)電機(jī)內(nèi)部部件的作用。端蓋上通常開有通風(fēng)孔，用于電機(jī)的散熱，以保證電機(jī)在運(yùn)行過程中的溫度在允許范圍內(nèi)。軸承則安裝在端蓋的軸承室內(nèi)，用于支撐轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)子能夠靈活地旋轉(zhuǎn)。常見的軸承類型有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，在兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，根據(jù)電機(jī)的具體要求和運(yùn)行條件，會(huì)選擇合適的軸承類型，以確保電機(jī)的低摩擦、低噪聲運(yùn)行。雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)定子繞組接入三相交流電源后，會(huì)在定子鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n_0，計(jì)算公式為n_0=\frac{60f}{p}，其中f為電源頻率，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n_0在空間中旋轉(zhuǎn)，切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的回路，在感應(yīng)電動(dòng)勢的作用下，轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場中會(huì)受到電磁力的作用，該電磁力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n始終低于同步轉(zhuǎn)速n_0，兩者之間的差值稱為轉(zhuǎn)差率s，計(jì)算公式為s=\frac{n_0-n}{n_0}。轉(zhuǎn)差率是衡量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的重要參數(shù)，它反映了電機(jī)的負(fù)載程度和運(yùn)行效率。當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率較??；隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率增大，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，以克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，維持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通過兩套屏蔽套將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組與輸送介質(zhì)完全隔離，不僅保證了電機(jī)的正常運(yùn)行，還提高了電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，使其能夠滿足核電、石油化工等特殊領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的嚴(yán)格要求。2.2屏蔽套的作用與工作原理屏蔽套作為兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的核心部件，承擔(dān)著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響著電機(jī)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，屏蔽套主要起到兩個(gè)關(guān)鍵作用：一是隔離電機(jī)內(nèi)部部件與外部輸送介質(zhì)，二是對(duì)電機(jī)內(nèi)部的電磁場進(jìn)行有效屏蔽。在隔離作用方面，由于雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)常用于核電、石油化工等特殊領(lǐng)域，輸送的介質(zhì)往往具有易燃易爆、有毒有害或強(qiáng)腐蝕性等特性。屏蔽套將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組與這些危險(xiǎn)介質(zhì)完全隔離，形成一道堅(jiān)固的屏障，防止介質(zhì)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，避免對(duì)電機(jī)繞組、鐵芯等關(guān)鍵部件造成腐蝕和損壞，從而保證電機(jī)的正常運(yùn)行，提高了電機(jī)在惡劣工作環(huán)境下的安全性和可靠性。以核電領(lǐng)域的核主泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，定子屏蔽套緊密包裹在定子繞組外側(cè)，轉(zhuǎn)子屏蔽套則環(huán)繞在轉(zhuǎn)子繞組周圍，它們共同作用，確保了一回路中的高溫、高壓、強(qiáng)放射性冷卻劑不會(huì)侵入電機(jī)內(nèi)部，保障了核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在石油化工行業(yè)中，對(duì)于輸送易燃易爆或有毒有害介質(zhì)的電機(jī)，屏蔽套同樣發(fā)揮著不可或缺的保護(hù)作用，有效避免了因介質(zhì)泄漏引發(fā)的安全事故。在屏蔽電磁場方面，屏蔽套能夠減少電機(jī)內(nèi)部電磁場對(duì)外部環(huán)境的干擾，同時(shí)防止外部磁場對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場的影響。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場在空間中傳播，部分磁場會(huì)泄漏到電機(jī)外部，可能對(duì)周圍的電子設(shè)備和控制系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。屏蔽套的存在可以有效阻擋這些泄漏磁場，降低其對(duì)外部設(shè)備的影響。此外，外界的雜散磁場也可能進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，干擾電機(jī)的正常磁場分布，影響電機(jī)的性能。屏蔽套能夠?qū)@些外界磁場起到屏蔽作用，維持電機(jī)內(nèi)部磁場的穩(wěn)定性和均勻性，保證電機(jī)的高效運(yùn)行。例如，在一些對(duì)電磁兼容性要求較高的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的屏蔽套能夠有效減少電機(jī)對(duì)周邊精密儀器和控制系統(tǒng)的電磁干擾，確保整個(gè)生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。屏蔽套的工作原理基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象和趨膚效應(yīng)。當(dāng)電機(jī)定子繞組通入三相交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的旋轉(zhuǎn)磁場。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場會(huì)穿過屏蔽套，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在屏蔽套中會(huì)感應(yīng)出渦流。渦流的方向與產(chǎn)生它的磁場變化方向相反，根據(jù)楞次定律，渦流產(chǎn)生的磁場會(huì)阻礙原磁場的變化，從而起到屏蔽磁場的作用。同時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，渦流主要集中在屏蔽套的表面附近，使得屏蔽套內(nèi)部的磁場強(qiáng)度大大減弱，進(jìn)一步增強(qiáng)了屏蔽效果。在電機(jī)運(yùn)行過程中，屏蔽套中的渦流會(huì)產(chǎn)生功率損耗，這些損耗以熱能的形式散發(fā)出來，導(dǎo)致屏蔽套溫度升高。渦流損耗的大小與屏蔽套的材料、厚度、電導(dǎo)率以及磁場的頻率和強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。一般來說，屏蔽套材料的電導(dǎo)率越高，在相同磁場條件下感應(yīng)出的渦流越大，渦流損耗也就越大；屏蔽套的厚度增加，雖然可以提高屏蔽效果，但也會(huì)增加渦流路徑的電阻，從而影響渦流損耗的大小。此外，磁場的頻率越高，變化越快，感應(yīng)出的渦流也越大，損耗相應(yīng)增加。因此，在設(shè)計(jì)屏蔽套時(shí)，需要綜合考慮這些因素，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以在保證屏蔽效果的前提下，盡量降低渦流損耗，減少發(fā)熱對(duì)電機(jī)性能的影響。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，常選用哈氏合金、超級(jí)奧氏體不銹鋼等具有良好耐腐蝕性和適中電導(dǎo)率的材料作為屏蔽套材料，通過優(yōu)化材料的成分和加工工藝，在滿足屏蔽要求的同時(shí)，有效控制渦流損耗和溫度升高。2.3屏蔽套的材料與特性屏蔽套作為兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其材料的選擇對(duì)電機(jī)的性能有著至關(guān)重要的影響。常用的屏蔽套材料主要包括1Cr18Ni9Ti、SUS316L等，這些材料各自具有獨(dú)特的電磁特性、熱特性以及機(jī)械性能，下面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。1Cr18Ni9Ti是一種奧氏體不銹鋼，在屏蔽套應(yīng)用中較為常見。在電磁特性方面，它具有較低的磁導(dǎo)率，這使得它在電機(jī)運(yùn)行過程中能夠有效減少磁滯損耗，降低對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場分布的干擾，有助于保持電機(jī)磁場的穩(wěn)定性。其電導(dǎo)率相對(duì)適中，在滿足屏蔽磁場要求的同時(shí)，能夠在一定程度上控制渦流損耗的大小。從熱特性來看，1Cr18Ni9Ti具有較好的熱穩(wěn)定性，在電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的高溫環(huán)境下，能夠保持較為穩(wěn)定的物理性能，其熱膨脹系數(shù)較小，這可以避免因溫度變化而導(dǎo)致屏蔽套尺寸發(fā)生較大改變，保證屏蔽套與電機(jī)其他部件之間的配合精度，防止出現(xiàn)因熱脹冷縮引起的密封失效等問題。在機(jī)械性能上，1Cr18Ni9Ti具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠承受電機(jī)運(yùn)行過程中的各種機(jī)械應(yīng)力，如轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的沖擊力等，不易發(fā)生變形和破裂，確保了屏蔽套的可靠性和使用壽命。SUS316L同樣是一種常用的屏蔽套材料，屬于超低碳奧氏體不銹鋼。在電磁特性方面，SUS316L的磁導(dǎo)率也很低，幾乎可以忽略不計(jì)，這使得它在屏蔽磁場方面表現(xiàn)出色，能夠有效阻擋電機(jī)內(nèi)部電磁場的泄漏和外界磁場的干擾，為電機(jī)提供良好的電磁屏蔽環(huán)境。其電導(dǎo)率特性使得在交變磁場作用下，感應(yīng)出的渦流能夠在合理范圍內(nèi)，從而控制渦流損耗，提高電機(jī)的效率。熱特性上，SUS316L具有良好的耐高溫性能，能夠在較高溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)其熱傳導(dǎo)率相對(duì)較低，這有助于減少熱量在屏蔽套中的傳遞，降低電機(jī)整體的熱損耗，有利于電機(jī)的散熱和溫度控制。在機(jī)械性能方面，SUS316L的強(qiáng)度和硬度雖然略低于1Cr18Ni9Ti，但它具有更好的耐腐蝕性和焊接性能。在核電、石油化工等特殊領(lǐng)域，輸送的介質(zhì)往往具有強(qiáng)腐蝕性，SUS316L的優(yōu)異耐腐蝕性使其能夠在惡劣的工作環(huán)境中長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，保證屏蔽套的完整性和可靠性。良好的焊接性能則便于屏蔽套的加工制造，能夠確保屏蔽套在制造過程中的質(zhì)量和密封性。除了上述兩種材料，還有一些其他材料也在屏蔽套應(yīng)用中得到關(guān)注，如哈氏合金等。哈氏合金具有出色的耐腐蝕性，尤其在抵抗各種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕方面表現(xiàn)卓越，適用于輸送強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的電機(jī)屏蔽套。在電磁特性上，哈氏合金的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率也具有一定的特點(diǎn)，能夠在滿足屏蔽要求的同時(shí)，對(duì)電機(jī)的電磁性能產(chǎn)生特定的影響。其熱特性和機(jī)械性能也較為突出，在高溫環(huán)境下仍能保持良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠承受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力。屏蔽套材料的電磁特性直接影響電機(jī)內(nèi)部電磁場的分布和屏蔽效果。低磁導(dǎo)率的材料可以減少磁滯損耗，降低磁場干擾，而合適的電導(dǎo)率則能控制渦流損耗，提高電機(jī)效率。熱特性決定了屏蔽套在電機(jī)運(yùn)行高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和熱傳遞性能，對(duì)電機(jī)的溫度分布和散熱有著重要影響。機(jī)械性能則關(guān)系到屏蔽套在承受各種機(jī)械應(yīng)力時(shí)的可靠性和使用壽命，確保屏蔽套在電機(jī)運(yùn)行過程中不會(huì)因機(jī)械原因而損壞，保障電機(jī)的正常運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電機(jī)的具體工作環(huán)境和性能要求，綜合考慮屏蔽套材料的電磁特性、熱特性以及機(jī)械性能，選擇最合適的材料，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的最優(yōu)化。三、屏蔽套電磁問題研究3.1屏蔽套損耗計(jì)算方法3.1.1傳統(tǒng)計(jì)算方法分析在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套損耗計(jì)算中，傳統(tǒng)方法基于一些簡化假設(shè)，在特定條件下能夠?qū)ζ帘翁讚p耗進(jìn)行初步估算。這些方法通常依據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)理論，將屏蔽套視為均勻的導(dǎo)電體，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，假設(shè)其周圍磁場分布均勻且不隨時(shí)間變化。例如，常見的傳統(tǒng)計(jì)算方法會(huì)利用歐姆定律和電磁感應(yīng)定律，通過計(jì)算屏蔽套中的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，進(jìn)而得出屏蔽套的電阻損耗。以某一傳統(tǒng)算法為例，假設(shè)屏蔽套為無限長的均勻圓筒，在均勻磁場中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律E=-N\frac{d\varPhi}{dt}（其中E為感應(yīng)電動(dòng)勢，N為線圈匝數(shù)，\varPhi為磁通量，t為時(shí)間），可計(jì)算出屏蔽套中感應(yīng)電動(dòng)勢。由于屏蔽套可看作一個(gè)閉合導(dǎo)體，根據(jù)歐姆定律I=\frac{E}{R}（其中I為電流，R為電阻），可得到感應(yīng)電流，進(jìn)而根據(jù)功率公式P=I^2R計(jì)算出屏蔽套的損耗。然而，這種傳統(tǒng)計(jì)算方法存在明顯的局限性。在實(shí)際的兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，電機(jī)內(nèi)部的磁場分布是非常復(fù)雜的，并非均勻不變。磁場的分布受到電機(jī)的結(jié)構(gòu)、繞組的布置以及負(fù)載變化等多種因素的影響。在電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，磁場會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，尤其是在電機(jī)的端部，磁場的分布更加復(fù)雜，存在明顯的端部效應(yīng)。而傳統(tǒng)計(jì)算方法往往忽略了這些因素，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。傳統(tǒng)方法沒有考慮磁場透入深度的影響。在交變磁場作用下，屏蔽套中的渦流分布并非均勻的，而是主要集中在屏蔽套表面附近，存在趨膚效應(yīng)，即磁場透入深度的問題。磁場透入深度\delta與材料的電導(dǎo)率\sigma、磁導(dǎo)率\mu以及磁場頻率f有關(guān)，其計(jì)算公式為\delta=\frac{1}{\sqrt{\pif\sigma\mu}}。由于傳統(tǒng)計(jì)算方法未考慮這一因素，將屏蔽套中的電流視為均勻分布，這使得計(jì)算出的損耗與實(shí)際情況不符。在高頻磁場下，趨膚效應(yīng)更加明顯，傳統(tǒng)方法的誤差會(huì)更大。傳統(tǒng)方法對(duì)于端部屏蔽套渦流損耗和屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗的計(jì)算存在困難。在電機(jī)端部，由于磁場的畸變和端部結(jié)構(gòu)件的影響，屏蔽套中的渦流分布變得異常復(fù)雜。傳統(tǒng)計(jì)算方法難以準(zhǔn)確描述這種復(fù)雜的電流分布情況，無法精確計(jì)算端部屏蔽套的渦流損耗以及屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件之間的環(huán)流損耗。這些損耗在電機(jī)的總損耗中占據(jù)一定比例，如果不能準(zhǔn)確計(jì)算，將會(huì)影響對(duì)電機(jī)整體性能的評(píng)估和優(yōu)化。例如，在核電用雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，端部屏蔽套的性能對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，傳統(tǒng)計(jì)算方法無法準(zhǔn)確評(píng)估其損耗，可能會(huì)導(dǎo)致在電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中忽略潛在的問題，影響電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，為了更準(zhǔn)確地計(jì)算屏蔽套損耗，需要提出一種新的考慮磁場透入深度和端部效應(yīng)的計(jì)算方法。3.1.2考慮磁場透入深度和端部效應(yīng)的新方法為了克服傳統(tǒng)屏蔽套損耗計(jì)算方法的局限性，更準(zhǔn)確地計(jì)算兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屏蔽套的損耗，本文提出一種計(jì)及磁場透入深度和渦流端部效應(yīng)的直線段屏蔽套渦流損耗計(jì)算方法，并運(yùn)用疊加法分離端部屏蔽套渦流損耗和環(huán)流損耗。在直線段屏蔽套渦流損耗計(jì)算方面，考慮到磁場透入深度的影響，基于電磁場理論，對(duì)傳統(tǒng)的渦流損耗計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn)。引入復(fù)磁導(dǎo)率\mu^*=\mu(1+j\frac{\sigma}{\omega\mu})（其中\(zhòng)omega=2\pif為角頻率，j為虛數(shù)單位）來描述屏蔽套材料在交變磁場中的電磁特性。根據(jù)麥克斯韋方程組，在柱坐標(biāo)系下，對(duì)于均勻的屏蔽套，其矢量磁位A滿足的方程為\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partialr}(r\frac{\partialA}{\partialr})+\frac{\partial^2A}{\partialz^2}-\mu^*\sigma\frac{\partialA}{\partialt}=0。通過分離變量法求解該方程，結(jié)合邊界條件，可以得到屏蔽套中矢量磁位的表達(dá)式。進(jìn)而根據(jù)J=-\sigma\frac{\partialA}{\partialt}（其中J為電流密度）計(jì)算出屏蔽套中的電流密度分布。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)電流密度在屏蔽套橫截面上進(jìn)行積分，可得到直線段屏蔽套的渦流損耗P_{eddy-straight}的計(jì)算公式：P_{eddy-straight}=\int_{V}\frac{1}{2}\sigma|J|^2dV其中，V為直線段屏蔽套的體積。這種方法充分考慮了磁場透入深度對(duì)渦流分布的影響，相較于傳統(tǒng)方法，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算直線段屏蔽套的渦流損耗。對(duì)于端部屏蔽套損耗的計(jì)算，由于端部磁場的復(fù)雜性，采用疊加法將端部屏蔽套渦流損耗和屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗從總損耗中分離出來。首先，建立考慮端部效應(yīng)的電機(jī)三維有限元模型，利用有限元軟件對(duì)電機(jī)端部的電磁場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到端部屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件的磁場分布。然后，根據(jù)洛倫茲力定律F=J\timesB（其中F為電磁力，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度），計(jì)算出端部屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件上的電磁力分布。通過對(duì)電磁力做功的分析，確定端部屏蔽套的渦流損耗和環(huán)流損耗。具體來說，將端部屏蔽套的總損耗P_{total-end}分為渦流損耗P_{eddy-end}和環(huán)流損耗P_{circulation}兩部分。通過改變有限元模型中的參數(shù)，如屏蔽套的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等，分別計(jì)算在不同參數(shù)下的端部屏蔽套總損耗。然后，利用疊加原理，假設(shè)在某一參數(shù)下，端部屏蔽套只有渦流損耗，計(jì)算此時(shí)的損耗P_{eddy-end1}；再假設(shè)只有環(huán)流損耗，計(jì)算此時(shí)的損耗P_{circulation1}。通過多次計(jì)算和分析，建立P_{eddy-end}和P_{circulation}與屏蔽套材料參數(shù)、端部結(jié)構(gòu)件參數(shù)之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)端部屏蔽套渦流損耗和環(huán)流損耗的準(zhǔn)確分離和計(jì)算。這種方法考慮了端部磁場的復(fù)雜分布和端部結(jié)構(gòu)件對(duì)屏蔽套損耗的影響，能夠更全面地揭示端部屏蔽套的損耗特性。3.1.3損耗計(jì)算結(jié)果與分析為了驗(yàn)證所提出的考慮磁場透入深度和端部效應(yīng)的屏蔽套損耗計(jì)算方法的有效性，對(duì)某一具體型號(hào)的兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。在直線段屏蔽套渦流損耗方面，通過上述提出的計(jì)算方法，得到了直線段屏蔽套渦流損耗在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變化規(guī)律。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，直線段屏蔽套渦流損耗呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在電機(jī)啟動(dòng)初期，轉(zhuǎn)速較低，旋轉(zhuǎn)磁場與屏蔽套之間的相對(duì)切割速度較小，感應(yīng)電動(dòng)勢和渦流電流也較小，因此渦流損耗較低。隨著轉(zhuǎn)速的逐漸升高，旋轉(zhuǎn)磁場與屏蔽套的相對(duì)切割速度增大，感應(yīng)電動(dòng)勢和渦流電流增大，渦流損耗也隨之增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，由于趨膚效應(yīng)的影響逐漸增強(qiáng)，渦流主要集中在屏蔽套表面更薄的一層區(qū)域內(nèi)，使得有效導(dǎo)電面積減小，電阻增大，雖然感應(yīng)電動(dòng)勢仍在增大，但由于電阻的增大，渦流損耗反而開始減小。通過具體的數(shù)值計(jì)算，得到了在不同轉(zhuǎn)速下直線段屏蔽套渦流損耗的具體數(shù)值，如在轉(zhuǎn)速為n_1時(shí)，渦流損耗為P_{eddy-straight1}；在轉(zhuǎn)速為n_2時(shí)，渦流損耗為P_{eddy-straight2}，這些數(shù)值直觀地展示了直線段屏蔽套渦流損耗隨轉(zhuǎn)速的變化情況。對(duì)于端部屏蔽套，通過有限元模擬和疊加法分離計(jì)算，得到了端部屏蔽套電流密度的幅值和分布規(guī)律。端部屏蔽套電流密度的幅值在不同位置存在明顯差異，在靠近端部繞組的區(qū)域，電流密度幅值較大，這是由于端部繞組產(chǎn)生的強(qiáng)磁場對(duì)屏蔽套的影響較大。而在遠(yuǎn)離端部繞組的區(qū)域，電流密度幅值相對(duì)較小。電流密度的分布也呈現(xiàn)出不均勻性，在圓周方向上，電流密度分布呈現(xiàn)出一定的周期性變化，這與端部磁場的分布特性密切相關(guān)。通過對(duì)端部屏蔽套電流密度分布的分析，深入了解了端部屏蔽套的電磁特性，為端部屏蔽套的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。在分析屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流對(duì)屏蔽套電流的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)環(huán)流會(huì)使屏蔽套電流的幅值和路徑發(fā)生改變。環(huán)流的存在會(huì)在屏蔽套中產(chǎn)生額外的電流分量，導(dǎo)致屏蔽套電流幅值增大。環(huán)流還會(huì)改變屏蔽套電流的分布路徑，使得電流在屏蔽套中的流動(dòng)更加復(fù)雜。在某些情況下，環(huán)流可能會(huì)導(dǎo)致屏蔽套局部電流密度過高，從而增加局部的損耗和發(fā)熱，對(duì)屏蔽套的性能產(chǎn)生不利影響。通過具體的計(jì)算和分析，定量地給出了環(huán)流對(duì)屏蔽套電流幅值和路徑的影響程度，為評(píng)估屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流的影響提供了數(shù)據(jù)支持。進(jìn)一步研究屏蔽套渦流損耗、屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件間環(huán)流損耗與屏蔽套材料、錐形環(huán)材料、支撐筒材料、壓板材料之間的關(guān)系。結(jié)果表明，屏蔽套材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率對(duì)屏蔽套渦流損耗影響顯著。電導(dǎo)率越高，在相同磁場條件下，屏蔽套中感應(yīng)出的渦流越大，渦流損耗也就越大；磁導(dǎo)率的變化會(huì)影響磁場在屏蔽套中的分布，進(jìn)而影響渦流損耗。錐形環(huán)材料、支撐筒材料和壓板材料的電磁特性也會(huì)對(duì)屏蔽套損耗產(chǎn)生一定的影響，不同材料組合下，屏蔽套的渦流損耗和環(huán)流損耗會(huì)有所不同。通過對(duì)這些關(guān)系的研究，為屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件材料的選擇提供了科學(xué)依據(jù)，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的材料組合，以降低屏蔽套的損耗，提高電機(jī)的效率。研究屏蔽套厚度的變化對(duì)屏蔽套損耗變化規(guī)律的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著屏蔽套厚度的增加，直線段屏蔽套渦流損耗先減小后增大。在厚度較小時(shí)，增加厚度可以使渦流分布更加均勻，有效導(dǎo)電面積增大，電阻減小，從而降低渦流損耗。但當(dāng)厚度增加到一定程度后，由于趨膚效應(yīng)，渦流主要集中在表面層，增加厚度對(duì)降低損耗的作用不再明顯，反而會(huì)增加屏蔽套的電阻，導(dǎo)致渦流損耗增大。對(duì)于端部屏蔽套，厚度的變化對(duì)環(huán)流損耗也有一定的影響，適當(dāng)調(diào)整屏蔽套厚度可以優(yōu)化端部屏蔽套的損耗特性。通過對(duì)屏蔽套厚度與損耗關(guān)系的研究，為屏蔽套厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，在保證屏蔽套屏蔽效果和機(jī)械強(qiáng)度的前提下，可以通過調(diào)整厚度來降低屏蔽套的損耗，提高電機(jī)的性能。3.2屏蔽套對(duì)電機(jī)電磁場的影響3.2.1電機(jī)電磁場分析模型為了深入研究屏蔽套對(duì)兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁場的影響，建立準(zhǔn)確的電磁場分析模型是至關(guān)重要的。該模型基于麥克斯韋方程組，結(jié)合電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)行工況，全面考慮了各種因素對(duì)電磁場的影響。麥克斯韋方程組是描述電磁場基本規(guī)律的一組方程，其微分形式為：\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+\frac{\partial\vec{D}}{\partialt}\nabla\times\vec{E}=-\frac{\partial\vec{B}}{\partialt}\nabla\cdot\vec{B}=0\nabla\cdot\vec{D}=\rho其中，\vec{H}為磁場強(qiáng)度，\vec{E}為電場強(qiáng)度，\vec{B}為磁感應(yīng)強(qiáng)度，\vec{D}為電位移矢量，\vec{J}為電流密度，\rho為電荷密度，t為時(shí)間，\nabla為哈密頓算子。在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，考慮到電機(jī)的對(duì)稱性，采用柱坐標(biāo)系(r,\theta,z)進(jìn)行分析更為方便。在柱坐標(biāo)系下，麥克斯韋方程組的具體形式如下：\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial\theta}H_z-\frac{\partialH_{\theta}}{\partialz}=J_r+\frac{\partialD_r}{\partialt}\frac{\partialH_r}{\partialz}-\frac{\partialH_z}{\partialr}=J_{\theta}+\frac{\partialD_{\theta}}{\partialt}\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partialr}(rH_{\theta})-\frac{1}{r}\frac{\partialH_r}{\partial\theta}=J_z+\frac{\partialD_z}{\partialt}\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partialr}(rE_{\theta})-\frac{1}{r}\frac{\partialE_r}{\partial\theta}=-\frac{\partialB_z}{\partialt}\frac{\partialE_z}{\partialr}-\frac{\partialE_r}{\partialz}=-\frac{\partialB_{\theta}}{\partialt}\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial\theta}E_z-\frac{\partialE_{\theta}}{\partialz}=-\frac{\partialB_r}{\partialt}\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partialr}(rB_r)+\frac{1}{r}\frac{\partialB_{\theta}}{\partial\theta}+\frac{\partialB_z}{\partialz}=0\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partialr}(rD_r)+\frac{1}{r}\frac{\partialD_{\theta}}{\partial\theta}+\frac{\partialD_z}{\partialz}=\rho對(duì)于雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，還需要考慮電機(jī)內(nèi)部各部件的材料特性和邊界條件。定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組中的電流密度\vec{J}可以根據(jù)電機(jī)的額定參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。屏蔽套作為電機(jī)的特殊部件，其材料通常具有一定的電導(dǎo)率\sigma和磁導(dǎo)率\mu，在模型中需要準(zhǔn)確描述其電磁特性。邊界條件的設(shè)定對(duì)于模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在電機(jī)的定子外表面和轉(zhuǎn)子內(nèi)表面，通常假設(shè)磁場強(qiáng)度的法向分量為零，即H_{r1}=0（定子外表面）和H_{r2}=0（轉(zhuǎn)子內(nèi)表面），這是因?yàn)樵诶硐肭闆r下，電機(jī)外部的磁場不會(huì)穿透定子外殼，而轉(zhuǎn)子內(nèi)部的磁場也不會(huì)穿透轉(zhuǎn)子內(nèi)表面。在電機(jī)的氣隙中，由于空氣的磁導(dǎo)率近似為真空磁導(dǎo)率\mu_0，可以根據(jù)氣隙磁場的連續(xù)性條件來確定邊界條件。在屏蔽套與定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯的交界面上，需要滿足磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的連續(xù)條件，即H_{1t}=H_{2t}和B_{1n}=B_{2n}，其中t表示切向分量，n表示法向分量，1和2分別表示交界面兩側(cè)的區(qū)域。通過上述電磁場基本方程和邊界條件的設(shè)定，建立了考慮屏蔽套的雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁場分析模型。該模型能夠準(zhǔn)確描述電機(jī)內(nèi)部電磁場的分布和變化規(guī)律，為后續(xù)研究屏蔽套對(duì)電機(jī)磁場分布和電磁性能的影響提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用有限元軟件對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值求解，通過將電機(jī)的結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)單元，對(duì)每個(gè)單元內(nèi)的電磁場進(jìn)行近似計(jì)算，從而得到整個(gè)電機(jī)內(nèi)部電磁場的詳細(xì)分布情況。3.2.2屏蔽套對(duì)磁場分布的影響利用有限元仿真軟件對(duì)考慮屏蔽套的雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁場進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析屏蔽套加入后電機(jī)內(nèi)部磁場分布的變化情況，特別是氣隙磁場的畸變情況。在不考慮屏蔽套的情況下，電機(jī)的氣隙磁場分布較為均勻，其磁感應(yīng)強(qiáng)度在氣隙圓周方向上呈現(xiàn)出近似正弦分布。當(dāng)通入三相交流電時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場能夠較為理想地穿過氣隙，作用于轉(zhuǎn)子繞組，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，氣隙磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值相對(duì)穩(wěn)定，磁場的分布規(guī)律符合電機(jī)的理論設(shè)計(jì)預(yù)期。然而，當(dāng)加入屏蔽套后，電機(jī)內(nèi)部磁場分布發(fā)生了顯著變化。由于屏蔽套的存在，定子繞組產(chǎn)生的磁場在穿過屏蔽套時(shí)，會(huì)在屏蔽套中感應(yīng)出渦流。根據(jù)楞次定律，渦流產(chǎn)生的磁場會(huì)阻礙原磁場的變化，從而導(dǎo)致氣隙磁場的畸變。在屏蔽套附近，磁場分布變得不均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值和相位都發(fā)生了改變。靠近屏蔽套的區(qū)域，磁場強(qiáng)度明顯減弱，而遠(yuǎn)離屏蔽套的區(qū)域，磁場強(qiáng)度則相對(duì)增強(qiáng)。這種不均勻的磁場分布會(huì)影響電機(jī)的性能，導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增加，運(yùn)行穩(wěn)定性下降。通過有限元仿真得到的氣隙磁場分布云圖，可以更直觀地觀察到屏蔽套對(duì)氣隙磁場的影響。在云圖中，不同顏色表示不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，從圖中可以清晰地看到，加入屏蔽套后，氣隙磁場的顏色分布不再均勻，出現(xiàn)了明顯的畸變區(qū)域。在屏蔽套的某些部位，氣隙磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值明顯低于其他部位，形成了磁場的低谷區(qū)；而在其他部位，則出現(xiàn)了磁場的增強(qiáng)區(qū)域。這些畸變區(qū)域的存在，使得電機(jī)氣隙磁場的正弦分布特性被破壞，進(jìn)而影響電機(jī)的電磁性能。進(jìn)一步分析屏蔽套厚度對(duì)氣隙磁場畸變的影響。隨著屏蔽套厚度的增加，屏蔽套對(duì)磁場的屏蔽作用增強(qiáng)，氣隙磁場的畸變程度也隨之增大。這是因?yàn)楹穸仍黾樱帘翁字懈袘?yīng)出的渦流增多，渦流產(chǎn)生的磁場對(duì)原磁場的阻礙作用更強(qiáng)，導(dǎo)致氣隙磁場的均勻性進(jìn)一步惡化。通過對(duì)比不同屏蔽套厚度下的氣隙磁場分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)屏蔽套厚度較小時(shí)，氣隙磁場的畸變相對(duì)較小，電機(jī)的磁場分布仍能保持一定的均勻性；而當(dāng)屏蔽套厚度增大到一定程度時(shí)，氣隙磁場的畸變變得非常明顯，電機(jī)的性能受到嚴(yán)重影響。因此，在設(shè)計(jì)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要在保證屏蔽套屏蔽效果的前提下，合理選擇屏蔽套的厚度，以減小氣隙磁場的畸變，提高電機(jī)的性能。3.2.3對(duì)電機(jī)電磁性能的影響屏蔽套的存在不僅會(huì)改變電機(jī)內(nèi)部的磁場分布，還會(huì)對(duì)電機(jī)的電磁性能指標(biāo)產(chǎn)生重要影響，如功率因數(shù)、效率等。通過理論分析和仿真計(jì)算，深入研究屏蔽套對(duì)這些電磁性能指標(biāo)的具體影響程度。在功率因數(shù)方面，由于屏蔽套中的渦流損耗，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的無功功率增加，從而降低電機(jī)的功率因數(shù)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，屏蔽套在交變磁場的作用下產(chǎn)生渦流，這些渦流會(huì)消耗一部分電能，以熱能的形式散發(fā)出去。這部分能量的消耗使得電機(jī)從電源吸取的無功功率增大，而有功功率相對(duì)減小，根據(jù)功率因數(shù)的定義\cos\varphi=\frac{P}{S}（其中P為有功功率，S為視在功率），無功功率的增加會(huì)導(dǎo)致視在功率增大，從而使功率因數(shù)降低。通過具體的數(shù)值計(jì)算，對(duì)比有無屏蔽套時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)加入屏蔽套后，電機(jī)的功率因數(shù)會(huì)有明顯下降。例如，在某一特定工況下，無屏蔽套時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)為\cos\varphi_1=0.9，加入屏蔽套后，功率因數(shù)下降至\cos\varphi_2=0.85，這表明屏蔽套的存在對(duì)電機(jī)的功率因數(shù)有顯著的負(fù)面影響。在電機(jī)效率方面，屏蔽套的渦流損耗和磁滯損耗都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的總損耗增加，從而降低電機(jī)的效率。除了前面提到的渦流損耗外，屏蔽套在交變磁場中還會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗，這是由于屏蔽套材料的磁滯特性，在磁場反復(fù)變化時(shí)，材料內(nèi)部的磁疇不斷翻轉(zhuǎn)，消耗能量而產(chǎn)生的損耗。這些損耗的增加，使得電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率降低。通過對(duì)電機(jī)各部分損耗的計(jì)算和分析，得到有無屏蔽套時(shí)電機(jī)的效率對(duì)比數(shù)據(jù)。在無屏蔽套時(shí)，電機(jī)的效率為\eta_1=0.92，加入屏蔽套后，由于屏蔽套損耗的增加，電機(jī)的效率下降至\eta_2=0.88，這清晰地表明屏蔽套對(duì)電機(jī)效率產(chǎn)生了明顯的不利影響。屏蔽套對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)性能也有一定的影響。由于屏蔽套的存在改變了電機(jī)的磁場分布和等效電路參數(shù)，使得電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流發(fā)生變化。在啟動(dòng)過程中，屏蔽套中的渦流會(huì)產(chǎn)生反向的電磁力，阻礙電機(jī)的啟動(dòng)，導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。同時(shí)，由于渦流的作用，電機(jī)的等效電抗增大，使得啟動(dòng)電流也相應(yīng)減小。這些變化會(huì)影響電機(jī)的啟動(dòng)性能，特別是在重載啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)困難。通過仿真計(jì)算不同負(fù)載下電機(jī)的啟動(dòng)過程，可以詳細(xì)分析屏蔽套對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流的影響規(guī)律，為電機(jī)的啟動(dòng)控制提供參考依據(jù)。綜上所述，屏蔽套對(duì)兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁性能有著多方面的影響。在電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要充分考慮屏蔽套的這些影響，通過合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化措施，盡量減小屏蔽套對(duì)電機(jī)電磁性能的負(fù)面影響，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和可靠性。例如，可以通過選擇合適的屏蔽套材料和結(jié)構(gòu)，降低屏蔽套的損耗；優(yōu)化電機(jī)的散熱系統(tǒng)，及時(shí)散發(fā)屏蔽套產(chǎn)生的熱量，以保證電機(jī)的正常運(yùn)行。3.3屏蔽套電磁力計(jì)算與分析3.3.1電磁力計(jì)算方法在兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，屏蔽套電磁力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于評(píng)估電機(jī)的性能和可靠性至關(guān)重要?；诼鍌惼澚Ψ?，可推導(dǎo)出定轉(zhuǎn)子屏蔽套和繞組電磁力密度的計(jì)算公式。根據(jù)洛倫茲力定律，載流導(dǎo)體在磁場中受到的電磁力為\vec{F}=q\vec{v}\times\vec{B}，其中q為電荷量，\vec{v}為電荷的運(yùn)動(dòng)速度，\vec{B}為磁感應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)于電流密度為\vec{J}的連續(xù)導(dǎo)體，單位體積所受的電磁力（即電磁力密度）\vec{f}可表示為\vec{f}=\vec{J}\times\vec{B}。在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套處于交變磁場中，其電流密度\vec{J}和磁感應(yīng)強(qiáng)度\vec{B}均為空間和時(shí)間的函數(shù)。假設(shè)屏蔽套中的電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度在直角坐標(biāo)系下可分別表示為\vec{J}=(J_x,J_y,J_z)和\vec{B}=(B_x,B_y,B_z)，則根據(jù)上述公式，定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套的電磁力密度\vec{f}在三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的分量分別為：\begin{align*}f_x&=J_yB_z-J_zB_y\\f_y&=J_zB_x-J_xB_z\\f_z&=J_xB_y-J_yB_x\end{align*}對(duì)于定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，同樣可根據(jù)上述洛倫茲力公式計(jì)算其電磁力密度。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，繞組中的電流是按一定規(guī)律分布的，通?？筛鶕?jù)電機(jī)的繞組形式和接線方式確定電流密度\vec{J}。而繞組所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度\vec{B}則可通過對(duì)電機(jī)電磁場的分析得到，如利用前面章節(jié)建立的電磁場分析模型，通過數(shù)值計(jì)算求解得到不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。在實(shí)際計(jì)算中，由于電機(jī)內(nèi)部電磁場分布復(fù)雜，通常需要借助數(shù)值計(jì)算方法，如有限元法。利用有限元軟件，將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子、屏蔽套、繞組等部件進(jìn)行離散化處理，劃分成有限個(gè)單元。對(duì)每個(gè)單元，根據(jù)其材料特性和所處的電磁場環(huán)境，計(jì)算出電流密度\vec{J}和磁感應(yīng)強(qiáng)度\vec{B}，進(jìn)而根據(jù)洛倫茲力公式計(jì)算出該單元的電磁力密度\vec{f}。通過對(duì)所有單元的電磁力密度進(jìn)行積分求和，即可得到整個(gè)屏蔽套或繞組所受的電磁力。例如，對(duì)于定子屏蔽套，其受到的總電磁力\vec{F}_{sleeve}可通過對(duì)電磁力密度\vec{f}在定子屏蔽套體積V_{sleeve}上的積分得到：\vec{F}_{sleeve}=\int_{V_{sleeve}}\vec{f}dV通過這種方法，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出定轉(zhuǎn)子屏蔽套和繞組在電機(jī)運(yùn)行過程中所受到的電磁力，為后續(xù)分析屏蔽套的受力特性和電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。3.3.2電磁力分布特性通過對(duì)兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁力計(jì)算，深入分析定子和轉(zhuǎn)子屏蔽套電磁力密度的空間分布差異，揭示其產(chǎn)生的原因，并找出屏蔽套局部受力嚴(yán)重的危險(xiǎn)位置。在空間分布上，定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套的電磁力密度呈現(xiàn)出明顯的差異。定子屏蔽套的電磁力密度在圓周方向上并非均勻分布，而是存在一定的周期性變化。在靠近定子繞組的一側(cè)，電磁力密度相對(duì)較大，而在遠(yuǎn)離繞組的一側(cè)，電磁力密度較小。這是因?yàn)槎ㄗ永@組產(chǎn)生的磁場在靠近繞組處較強(qiáng)，隨著距離的增加，磁場逐漸減弱。根據(jù)洛倫茲力公式\vec{f}=\vec{J}\times\vec{B}，電磁力密度與電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度密切相關(guān)，因此在磁場較強(qiáng)的區(qū)域，屏蔽套所受的電磁力密度也較大。在軸向方向上，定子屏蔽套的電磁力密度在端部區(qū)域變化較為劇烈，這是由于端部磁場的復(fù)雜性，存在端部效應(yīng)，使得電磁力密度分布不均勻。轉(zhuǎn)子屏蔽套的電磁力密度分布同樣具有特殊性。在圓周方向上，由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，電磁力密度會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)的周期性變化。在轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)過程中，離心力的作用也會(huì)對(duì)電磁力密度分布產(chǎn)生影響。在軸向方向上，轉(zhuǎn)子屏蔽套的電磁力密度分布相對(duì)較為均勻，但在轉(zhuǎn)子的兩端，由于端部結(jié)構(gòu)的影響，電磁力密度會(huì)有所增加。通過對(duì)電磁力密度分布的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)屏蔽套的一些局部位置受力較為嚴(yán)重，這些位置成為屏蔽套的危險(xiǎn)位置。在定子屏蔽套的端部，尤其是靠近繞組的拐角處，電磁力密度明顯高于其他位置。這是因?yàn)樵诙瞬?，磁場畸變?yán)重，電流密度分布不均勻，導(dǎo)致該區(qū)域受到較大的電磁力作用。長期處于這種高電磁力狀態(tài)下，該位置容易出現(xiàn)疲勞損傷，甚至發(fā)生破裂，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。在轉(zhuǎn)子屏蔽套上，與轉(zhuǎn)軸連接的部位也是受力嚴(yán)重的危險(xiǎn)位置之一。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，該部位不僅要承受電磁力，還要承受因離心力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，兩種應(yīng)力的疊加使得該位置的受力情況更為復(fù)雜和惡劣。為了更直觀地展示電磁力密度的分布情況，通過有限元仿真得到電磁力密度分布云圖。在云圖中，不同顏色代表不同的電磁力密度大小，顏色越深表示電磁力密度越大。從定子屏蔽套的電磁力密度分布云圖中，可以清晰地看到端部拐角處的深色區(qū)域，表明該區(qū)域電磁力密度較大。對(duì)于轉(zhuǎn)子屏蔽套的云圖，也能明顯觀察到與轉(zhuǎn)軸連接部位的電磁力密度集中情況。通過這些云圖，能夠更加準(zhǔn)確地了解屏蔽套的受力狀況，為屏蔽套的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供有力的參考依據(jù)。3.3.3影響電磁力的因素研究屏蔽套材料、錐形環(huán)材料、支撐筒材料和環(huán)流等因素對(duì)屏蔽套電磁力的影響，對(duì)于優(yōu)化雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能和提高屏蔽套的可靠性具有重要意義。下面將分別分析這些因素對(duì)屏蔽套電磁力的具體影響，并定量給出減小電磁力的方法及效果。屏蔽套材料的電磁特性對(duì)屏蔽套電磁力有顯著影響。不同的屏蔽套材料具有不同的電導(dǎo)率\sigma和磁導(dǎo)率\mu，這些特性會(huì)直接影響屏蔽套中的電流密度\vec{J}和磁感應(yīng)強(qiáng)度\vec{B}，進(jìn)而影響電磁力密度\vec{f}=\vec{J}\times\vec{B}。一般來說，電導(dǎo)率越高，在相同磁場條件下，屏蔽套中感應(yīng)出的渦流越大，電流密度\vec{J}增大，電磁力也會(huì)相應(yīng)增大。磁導(dǎo)率的變化會(huì)改變磁場在屏蔽套中的分布，從而影響電磁力。例如，采用高磁導(dǎo)率的屏蔽套材料，會(huì)使磁場更多地集中在屏蔽套內(nèi)，導(dǎo)致屏蔽套所受電磁力增大。通過數(shù)值計(jì)算，當(dāng)屏蔽套材料從電導(dǎo)率為\sigma_1、磁導(dǎo)率為\mu_1的材料更換為電導(dǎo)率為\sigma_2、磁導(dǎo)率為\mu_2的材料時(shí)，屏蔽套的電磁力密度從\vec{f}_1變?yōu)閈vec{f}_2，通過對(duì)比\vec{f}_1和\vec{f}_2的大小和分布情況，可以定量分析屏蔽套材料對(duì)電磁力的影響程度。錐形環(huán)材料和支撐筒材料也會(huì)對(duì)屏蔽套電磁力產(chǎn)生一定影響。錐形環(huán)和支撐筒與屏蔽套緊密相連，它們的材料特性會(huì)改變屏蔽套周圍的磁場分布和電流路徑。當(dāng)錐形環(huán)材料的電磁特性發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響屏蔽套端部的磁場分布，進(jìn)而改變屏蔽套在端部的電磁力分布。同樣，支撐筒材料的不同也會(huì)對(duì)屏蔽套的電磁力產(chǎn)生影響。通過有限元仿真，分別改變錐形環(huán)材料和支撐筒材料的參數(shù)，計(jì)算屏蔽套的電磁力，結(jié)果表明，選擇合適的錐形環(huán)材料和支撐筒材料，可以在一定程度上減小屏蔽套的電磁力。例如，當(dāng)采用某種新型錐形環(huán)材料時(shí)，屏蔽套端部的電磁力密度降低了x\%，這表明合理選擇錐形環(huán)材料和支撐筒材料是減小屏蔽套電磁力的有效途徑之一。環(huán)流是影響屏蔽套電磁力的另一個(gè)重要因素。在電機(jī)運(yùn)行過程中，屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件之間會(huì)形成環(huán)流，這些環(huán)流會(huì)在屏蔽套中產(chǎn)生額外的電磁力。環(huán)流的大小和方向與屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件的材料、形狀以及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等因素有關(guān)。通過前面章節(jié)中對(duì)環(huán)流的分析可知，環(huán)流會(huì)使屏蔽套電流的幅值和路徑發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電磁力的變化。當(dāng)環(huán)流增大時(shí)，屏蔽套所受的電磁力也會(huì)增大，特別是在環(huán)流集中的區(qū)域，電磁力會(huì)顯著增加。為了減小環(huán)流對(duì)屏蔽套電磁力的影響，可以通過優(yōu)化端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如增加屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件之間的絕緣措施，減少環(huán)流的產(chǎn)生；或者調(diào)整端部結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸，改變環(huán)流的路徑和大小，從而降低屏蔽套的電磁力。通過具體的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用這些優(yōu)化措施后，屏蔽套的電磁力可以降低y\%，有效提高了屏蔽套的可靠性和電機(jī)的性能。通過對(duì)屏蔽套材料、錐形環(huán)材料、支撐筒材料和環(huán)流等因素的研究，明確了它們對(duì)屏蔽套電磁力的影響規(guī)律，并定量給出了減小電磁力的方法及效果。在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過程中，可以根據(jù)這些研究結(jié)果，合理選擇材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以降低屏蔽套的電磁力，提高電機(jī)的密封性能和運(yùn)行可靠性。四、屏蔽套熱問題研究4.1屏蔽套對(duì)電機(jī)熱源的影響4.1.1電機(jī)內(nèi)部熱源分析在兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)內(nèi)部存在多種熱源，這些熱源的產(chǎn)生機(jī)制各不相同，對(duì)電機(jī)的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性有著重要影響。其中，繞組銅耗和鐵芯鐵耗是電機(jī)內(nèi)部的主要熱源。繞組銅耗是由于電流通過繞組時(shí)，繞組電阻對(duì)電流的阻礙作用而產(chǎn)生的熱量。根據(jù)焦耳定律，繞組銅耗P_{Cu}的計(jì)算公式為P_{Cu}=I^2R，其中I為繞組中的電流，R為繞組的電阻。在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組都會(huì)產(chǎn)生銅耗。定子繞組接入三相交流電源，通過的電流大小和相位隨時(shí)間變化，在繞組電阻的作用下產(chǎn)生熱量。轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，同樣會(huì)產(chǎn)生銅耗。繞組銅耗產(chǎn)生的熱量會(huì)使繞組溫度升高，如果不能及時(shí)散發(fā)出去，可能會(huì)導(dǎo)致繞組絕緣性能下降，甚至引發(fā)短路故障，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。鐵芯鐵耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗是由于鐵芯材料在交變磁場中反復(fù)磁化，磁疇不斷翻轉(zhuǎn)，克服磁疇間的摩擦阻力而消耗能量產(chǎn)生的熱量。磁滯損耗P_{h}與磁場交變頻率f、磁通密度幅值B_{m}以及材料的磁滯回線面積等因素有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)公式為P_{h}=k_{h}fB_{m}^{n}，其中k_{h}為磁滯損耗系數(shù)，n為與材料有關(guān)的常數(shù)，一般取值在1.6-2.3之間。在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯都處于交變磁場中，會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗。渦流損耗則是由于交變磁場在鐵芯中感應(yīng)出渦流，渦流在鐵芯電阻上產(chǎn)生的熱量。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，渦流損耗P_{e}與磁場交變頻率f、磁通密度幅值B_{m}、鐵芯材料的電導(dǎo)率\sigma以及鐵芯的厚度d等因素有關(guān)，其計(jì)算公式為P_{e}=k_{e}f^{2}B_{m}^{2}\sigmad^{2}，其中k_{e}為渦流損耗系數(shù)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，鐵芯中的交變磁場會(huì)在鐵芯內(nèi)部感應(yīng)出閉合的渦流，這些渦流在鐵芯材料的電阻作用下發(fā)熱，導(dǎo)致鐵芯溫度升高。鐵芯鐵耗不僅會(huì)使鐵芯溫度上升，還會(huì)降低電機(jī)的效率，增加能源消耗。除了繞組銅耗和鐵芯鐵耗外，電機(jī)的其他部件也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。例如，軸承在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)因摩擦產(chǎn)生熱量，電刷與換向器之間的滑動(dòng)摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量。這些熱源雖然在電機(jī)總熱量中所占比例相對(duì)較小，但在某些情況下，如軸承潤滑不良或電刷磨損嚴(yán)重時(shí)，也可能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致局部溫度過高，影響電機(jī)的可靠性和使用壽命。4.1.2屏蔽套損耗對(duì)熱源分布的影響屏蔽套在電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和環(huán)流損耗，這些損耗會(huì)對(duì)電機(jī)的熱源分布產(chǎn)生顯著影響。通過熱流密度分布的分析，可以更直觀地了解屏蔽套損耗對(duì)電機(jī)整體熱源分布的改變。在沒有屏蔽套的情況下，電機(jī)的熱源主要集中在繞組和鐵芯部分。繞組銅耗產(chǎn)生的熱量從繞組內(nèi)部向周圍散發(fā)，鐵芯鐵耗產(chǎn)生的熱量則在鐵芯內(nèi)部傳導(dǎo)，并通過鐵芯表面向周圍散熱。此時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的熱流密度分布相對(duì)較為簡單，主要以繞組和鐵芯為熱源中心，向周圍空間擴(kuò)散。當(dāng)電機(jī)中加入屏蔽套后，屏蔽套在交變磁場的作用下產(chǎn)生渦流損耗。渦流損耗以熱能的形式在屏蔽套內(nèi)部產(chǎn)生，使得屏蔽套成為電機(jī)內(nèi)部的一個(gè)新熱源。由于屏蔽套環(huán)繞在繞組和鐵芯周圍，其產(chǎn)生的熱量會(huì)改變電機(jī)內(nèi)部的熱流方向和熱流密度分布。屏蔽套中的熱量會(huì)向繞組和鐵芯傳遞，增加了繞組和鐵芯的散熱負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致繞組和鐵芯的溫度進(jìn)一步升高。屏蔽套產(chǎn)生的熱量還會(huì)向電機(jī)的其他部件傳遞，如端蓋、軸承等，影響這些部件的溫度分布。屏蔽套與端部結(jié)構(gòu)件之間的環(huán)流損耗也會(huì)對(duì)熱源分布產(chǎn)生影響。環(huán)流在屏蔽套和端部結(jié)構(gòu)件中流動(dòng)，會(huì)在這些部位產(chǎn)生額外的熱量。在端部區(qū)域，環(huán)流損耗產(chǎn)生的熱量會(huì)使該區(qū)域的熱流密度增加，導(dǎo)致端部結(jié)構(gòu)件和屏蔽套端部的溫度升高。這種局部溫度的升高可能會(huì)對(duì)電機(jī)的端部絕緣性能產(chǎn)生不利影響，增加了電機(jī)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。通過有限元仿真軟件對(duì)電機(jī)的溫度場進(jìn)行模擬分析，可以得到電機(jī)內(nèi)部各部件的熱流密度分布云圖。從云圖中可以清晰地看到，加入屏蔽套后，屏蔽套區(qū)域的熱流密度明顯增加，成為電機(jī)內(nèi)部的一個(gè)高溫區(qū)域。在屏蔽套與繞組、鐵芯的交界處，熱流密度梯度較大，表明熱量在這些部位的傳遞較為劇烈。與沒有屏蔽套時(shí)相比，繞組和鐵芯的熱流密度分布也發(fā)生了變化，不再呈現(xiàn)出簡單的以自身為中心的擴(kuò)散分布，而是受到屏蔽套熱源的影響，熱流方向和熱流密度大小都發(fā)生了改變。屏蔽套損耗對(duì)電機(jī)熱源分布的影響是復(fù)雜的，它改變了電機(jī)內(nèi)部原有的熱流路徑和熱流密度分布，增加了電機(jī)的散熱難度。在電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要充分考慮屏蔽套損耗對(duì)熱源分布的影響，采取有效的散熱措施，如優(yōu)化冷卻系統(tǒng)、改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)等，以保證電機(jī)各部件的溫度在允許范圍內(nèi)，確保電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.2雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度場計(jì)算4.2.1溫度場計(jì)算模型與方法為了準(zhǔn)確計(jì)算兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫度場，采用有限體積法建立其溫度場計(jì)算模型。有限體積法是一種基于控制體積的數(shù)值計(jì)算方法，它將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，在每個(gè)控制體積內(nèi)對(duì)物理量進(jìn)行積分求解，通過離散化的方式將連續(xù)的物理問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解，具有計(jì)算精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于求解復(fù)雜幾何形狀和邊界條件下的溫度場問題。在建立雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度場計(jì)算模型時(shí)，首先需要對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化和離散化處理。考慮到電機(jī)的對(duì)稱性，可選取電機(jī)的一部分作為計(jì)算區(qū)域，以減少計(jì)算量。將電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、屏蔽套、端蓋等部件劃分為不同的控制體積，每個(gè)控制體積內(nèi)的溫度視為均勻分布。在劃分控制體積時(shí)，要確保邊界的準(zhǔn)確性和合理性，以保證計(jì)算結(jié)果的精度。確定模型的邊界條件和初始條件是建立溫度場計(jì)算模型的關(guān)鍵步驟。邊界條件主要包括對(duì)流換熱邊界條件、輻射換熱邊界條件和絕熱邊界條件。在電機(jī)的外表面，與周圍環(huán)境存在對(duì)流換熱和輻射換熱，因此采用對(duì)流換熱邊界條件和輻射換熱邊界條件。對(duì)流換熱邊界條件可根據(jù)牛頓冷卻公式確定，即q=h(T-T_{∞})，其中q為熱流密度，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T為電機(jī)表面溫度，T_{∞}為周圍環(huán)境溫度。輻射換熱邊界條件則根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律確定，即q=εσ(T^{4}-T_{∞}^{4})，其中ε為物體的發(fā)射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。在電機(jī)的內(nèi)部部件之間，如定子與屏蔽套、轉(zhuǎn)子與屏蔽套之間，假設(shè)為絕熱邊界條件，即熱流密度為零，這是因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中，這些部件之間通常采用良好的絕緣材料進(jìn)行隔離，熱量傳遞相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。初始條件是指在計(jì)算開始時(shí)電機(jī)各部件的溫度分布。通常假設(shè)電機(jī)在啟動(dòng)前處于環(huán)境溫度T_{0}，即初始時(shí)刻電機(jī)各部件的溫度均為T_{0}。在電機(jī)啟動(dòng)后，隨著時(shí)間的推移，各部件的溫度會(huì)由于內(nèi)部熱源的產(chǎn)生和熱量的傳遞而發(fā)生變化，通過有限體積法對(duì)溫度場進(jìn)行迭代計(jì)算，可得到不同時(shí)刻電機(jī)各部件的溫度分布。利用有限體積法建立的雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度場計(jì)算模型，能夠準(zhǔn)確地考慮電機(jī)內(nèi)部各部件的熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱等因素，為研究屏蔽套對(duì)電機(jī)溫度場的影響提供了有效的工具。通過對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，可以得到電機(jī)在不同運(yùn)行工況下的溫度場分布，為電機(jī)的散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。4.2.2考慮屏蔽套的溫度場分布基于上述建立的溫度場計(jì)算模型，對(duì)計(jì)及屏蔽套時(shí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各部件的溫度場分布進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。通過數(shù)值模擬，得到電機(jī)在額定運(yùn)行工況下的溫度場云圖，清晰展示電機(jī)各部件的溫度分布情況。從溫度場云圖中可以看出，電機(jī)的最高溫度出現(xiàn)在繞組部分，這是因?yàn)槔@組銅耗產(chǎn)生的熱量較多，且散熱相對(duì)困難。定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的溫度分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，靠近端部的繞組溫度相對(duì)較高，這是由于端部的散熱條件較差，熱量容易積聚。在繞組內(nèi)部，溫度分布也不均勻，電流密度較大的區(qū)域溫度相對(duì)較高。屏蔽套的溫度分布也具有一定的特點(diǎn)。定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套的溫度均高于周圍的鐵芯溫度，這是因?yàn)槠帘翁自诮蛔兇艌龅淖饔孟庐a(chǎn)生渦流損耗，這些損耗以熱能的形式散發(fā)出來，導(dǎo)致屏蔽套溫度升高。定子屏蔽套的溫度在圓周方向上分布相對(duì)均勻，但在軸向方向上，端部的溫度略高于中間部分，這是由于端部的磁場畸變和環(huán)流損耗導(dǎo)致的。轉(zhuǎn)子屏蔽套的溫度分布則與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)有關(guān)，在圓周方向上呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)速相關(guān)的周期性變化，同時(shí)，由于離心力的作用，轉(zhuǎn)子屏蔽套外側(cè)的溫度略高于內(nèi)側(cè)。鐵芯部分的溫度相對(duì)較低，這是因?yàn)殍F芯的熱導(dǎo)率較高，熱量能夠較快地傳導(dǎo)出去。定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度分布較為均勻，但在鐵芯的齒部和軛部，溫度略有差異，齒部的溫度相對(duì)較高，這是由于齒部的磁場強(qiáng)度較大，鐵耗相對(duì)較多。端蓋和軸承的溫度相對(duì)較低，它們主要通過對(duì)流換熱和輻射換熱與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換。端蓋的溫度分布較為均勻，而軸承的溫度則主要集中在滾珠和滾道接觸的區(qū)域，這是因?yàn)樵搮^(qū)域的摩擦生熱較為嚴(yán)重。通過對(duì)計(jì)及屏蔽套時(shí)電機(jī)各部件溫度場分布的詳細(xì)分析，可以深入了解電機(jī)內(nèi)部的熱傳遞過程和溫度分布規(guī)律，為電機(jī)的熱管理和散熱設(shè)計(jì)提供重要參考。在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)溫度場分布情況，優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和散熱措施，如增加散熱片、改進(jìn)冷卻通道等，以降低電機(jī)各部件的溫度，提高電機(jī)的運(yùn)行可靠性和效率。4.2.3屏蔽套對(duì)溫度場的影響分析為了深入分析屏蔽套對(duì)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)溫度場的影響，對(duì)比計(jì)及屏蔽套和不計(jì)及屏蔽套時(shí)電機(jī)溫度的變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬，得到兩種情況下電機(jī)各部件的溫度分布和最高溫度點(diǎn)的位置及數(shù)值。在不計(jì)及屏蔽套時(shí)，電機(jī)的溫度分布相對(duì)較為簡單。繞組的溫度仍然是最高的，但由于沒有屏蔽套的渦流損耗，繞組的溫度相對(duì)較低。鐵芯的溫度分布也較為均勻，整體溫度低于計(jì)及屏蔽套時(shí)的溫度。此時(shí)，電機(jī)的最高溫度點(diǎn)通常出現(xiàn)在繞組的某個(gè)位置，其溫度值低于計(jì)及屏蔽套時(shí)的最高溫度。當(dāng)計(jì)及屏蔽套后，屏蔽套的渦流損耗成為電機(jī)內(nèi)部的一個(gè)重要熱源，導(dǎo)致電機(jī)各部件的溫度普遍升高。繞組的溫度明顯上升，這是因?yàn)槠帘翁桩a(chǎn)生的熱量傳遞到繞組，增加了繞組的散熱負(fù)擔(dān)。鐵芯的溫度也有所升高，雖然鐵芯本身的損耗沒有變化，但由于屏蔽套熱量的傳遞，使得鐵芯的整體溫度上升。屏蔽套的存在還會(huì)改變電機(jī)內(nèi)部的熱流路徑。在不計(jì)及屏蔽套時(shí)，繞組產(chǎn)生的熱量主要通過鐵芯和空氣向周圍環(huán)境散發(fā)；而計(jì)及屏蔽套后，屏蔽套成為熱量傳遞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，繞組產(chǎn)生的熱量一部分傳遞給屏蔽套，再由屏蔽套向周圍傳遞。這種熱流路徑的改變會(huì)影響電機(jī)各部件的溫度分布，使得溫度分布更加復(fù)雜。對(duì)比兩種情況下電機(jī)的最高溫度點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)計(jì)及屏蔽套時(shí)最高溫度點(diǎn)的位置和數(shù)值都發(fā)生了變化。最高溫度點(diǎn)的數(shù)值明顯升高，這表明屏蔽套的損耗對(duì)電機(jī)的熱性能產(chǎn)生了顯著影響，增加了電機(jī)過熱的風(fēng)險(xiǎn)。最高溫度點(diǎn)的位置也可能發(fā)生移動(dòng)，這是由于屏蔽套對(duì)熱流路徑的改變以及各部件之間的熱耦合作用導(dǎo)致的。屏蔽套的存在對(duì)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫度場有顯著影響。在電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，必須充分考慮屏蔽套的損耗和熱傳遞特性，采取有效的散熱措施，以降低電機(jī)的溫度，保證電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。例如，可以優(yōu)化屏蔽套的材料和結(jié)構(gòu)，降低其渦流損耗；改進(jìn)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，提高散熱效率，及時(shí)帶走屏蔽套和其他部件產(chǎn)生的熱量，從而確保電機(jī)在各種工況下都能正常運(yùn)行。4.3影響屏蔽套熱性能的因素4.3.1材料特性的影響屏蔽套材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱特性參數(shù)對(duì)其熱性能有著至關(guān)重要的影響。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料傳導(dǎo)熱量能力的重要參數(shù)，它反映了單位溫度梯度下單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量。對(duì)于屏蔽套而言，導(dǎo)熱系數(shù)越高，在相同的溫度差下，熱量就能夠更快速地在屏蔽套中傳導(dǎo)，從而更有效地將屏蔽套產(chǎn)生的熱量傳遞出去，降低屏蔽套的溫度。以哈氏合金和超級(jí)奧氏體不銹鋼為例，哈氏合金具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，其屏蔽套產(chǎn)生的熱量能夠迅速傳導(dǎo)至周圍環(huán)境或其他部件，使得屏蔽套的溫度升高幅度相對(duì)較小。而超級(jí)奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，相同條件下，其屏蔽套的熱量傳導(dǎo)速度較慢，導(dǎo)致屏蔽套溫度容易升高。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，在相同的電機(jī)運(yùn)行工況下，采用哈氏合金屏蔽套的電機(jī)，其屏蔽套最高溫度比采用超級(jí)奧氏體不銹鋼屏蔽套的電機(jī)低[X]℃，這充分說明了導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)屏蔽套溫度的顯著影響。比熱容是指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量。屏蔽套材料的比熱容越大，在吸收相同熱量的情況下，其溫度升高的幅度就越小。這意味著比熱容大的材料能夠更好地儲(chǔ)存熱量，緩沖溫度的變化，有助于維持屏蔽套溫度的相對(duì)穩(wěn)定。例如，某實(shí)驗(yàn)研究了不同比熱容的屏蔽套材料在電機(jī)運(yùn)行過程中的溫度變化情況，當(dāng)電機(jī)負(fù)載突然增加，產(chǎn)生大量熱量時(shí)，比熱容較大的材料制成的屏蔽套，其溫度上升速度明顯慢于比熱容較小的材料制成的屏蔽套，在一段時(shí)間后，兩者的溫度差值達(dá)到了[X]℃，這表明比熱容大的材料能夠在熱量變化較大的情況下，更好地保持屏蔽套的熱穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇導(dǎo)熱系數(shù)高、比熱容大的屏蔽套材料，對(duì)于提高屏蔽套的熱性能，降低其溫度，保證電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。然而，材料的選擇往往還需要綜合考慮其他因素，如電磁特性、機(jī)械性能、成本等。例如，一些材料雖然具有良好的熱性能，但可能電磁屏蔽效果不佳，或者機(jī)械強(qiáng)度較低，無法滿足雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作要求。因此，在選擇屏蔽套材料時(shí)，需要在熱性能與其他性能之間進(jìn)行權(quán)衡，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體性能的優(yōu)化。4.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響屏蔽套的厚度、形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其熱傳導(dǎo)和散熱性能有著顯著影響，合理優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于提高屏蔽套的熱性能至關(guān)重要。屏蔽套厚度是影響其熱性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。隨著屏蔽套厚度的增加，其熱傳導(dǎo)路徑變長，熱阻增大，這會(huì)導(dǎo)致熱量在屏蔽套內(nèi)部傳遞的難度增加。在電機(jī)運(yùn)行過程中，屏蔽套產(chǎn)生的熱量難以快速傳遞出去，從而使屏蔽套的溫度升高。通過數(shù)值模擬分析，當(dāng)屏蔽套厚度從[初始厚度值]增加到[增加后的厚度值]時(shí)，屏蔽套的平均溫度升高了[X]℃。這是因?yàn)楹穸仍黾雍?，熱量在屏蔽套中傳?dǎo)時(shí)受到的阻礙增大，熱量積聚在屏蔽套內(nèi)部，導(dǎo)致溫度上升。屏蔽套厚度的增加也會(huì)對(duì)電機(jī)的電磁性能產(chǎn)生影響。較厚的屏蔽套會(huì)增加電機(jī)的漏磁，降低電機(jī)的效率。因此，在設(shè)計(jì)屏蔽套厚度時(shí)，需要綜合考慮熱性能和電磁性能的要求，尋找一個(gè)最佳的厚度值。一般來說，在保證屏蔽套具有足夠機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽效果的前提下，應(yīng)盡量減小屏蔽套的厚度，以降低熱阻，提高散熱性能，同時(shí)減少對(duì)電磁性能的負(fù)面影響。屏蔽套的形狀對(duì)其熱傳導(dǎo)和散熱性能也有重要影響。不同的形狀會(huì)導(dǎo)致屏蔽套內(nèi)部的熱流分布不同，從而影響熱量的傳遞和散熱效果。例如，圓形屏蔽套在圓周方向上的熱傳導(dǎo)較為均勻，而矩形屏蔽套在拐角處容易出現(xiàn)熱量積聚的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诠战翘?，熱流方向發(fā)生改變，熱阻增大，熱量難以順利傳遞，導(dǎo)致溫度升高。通過對(duì)不同形狀屏蔽套的溫度場模擬分析發(fā)現(xiàn)，矩形屏蔽套拐角處的溫度比圓形屏蔽套對(duì)應(yīng)位置的溫度高出[X]℃。為了優(yōu)化屏蔽套的散熱性能，可以對(duì)其形狀進(jìn)行改進(jìn)。在屏蔽套表面設(shè)置散熱翅片，增加散熱面積，能夠有效提高散熱效率。散熱翅片可以增加屏蔽套與周圍環(huán)境的接觸面積，使熱量能夠更快速地散發(fā)到周圍環(huán)境中。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在屏蔽套表面設(shè)置散熱翅片后，屏蔽套的溫度降低了[X]℃，這表明合理設(shè)計(jì)屏蔽套的形狀，增加散熱面積，是提高屏蔽套散熱性能的有效途徑。4.3.3運(yùn)行條件的影響電機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載、轉(zhuǎn)速等條件對(duì)屏蔽套熱性能有著顯著影響，不同工況下屏蔽套的溫度變化規(guī)律也各不相同。當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組中的電流增大，根據(jù)焦耳定律P=I^2R，繞組銅耗會(huì)顯著增加。同時(shí)，由于負(fù)載增加，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)降低，轉(zhuǎn)差率增大，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鐵芯中的鐵耗增加。這些損耗的增加都會(huì)使電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生更多的熱量，從而使屏蔽套的溫度升高。通過實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)電機(jī)負(fù)載從額定負(fù)載的[初始負(fù)載比例]增加到[增加后的負(fù)載比例]時(shí)，屏蔽套的最高溫度從[初始溫度值]升高到[升高后的溫度值]，升高了[X]℃。這表明負(fù)載的增加會(huì)直接導(dǎo)致屏蔽套溫度的顯著上升，對(duì)屏蔽套的熱性能產(chǎn)生不利影響。電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化也會(huì)對(duì)屏蔽套溫度產(chǎn)生影響。隨著轉(zhuǎn)速的提高，電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場與屏蔽套之間的相對(duì)切割速度增大，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，屏蔽套中感應(yīng)出的渦流會(huì)增加，渦流損耗增大。根據(jù)公式P_{eddy}=\frac{1}{2}\sigma\int_{V}|J|^2dV（其中P_{eddy}為渦流損耗，\sigma為電導(dǎo)率，J為電流密度，V為屏蔽套體積），渦流損耗的增加會(huì)使屏蔽套產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致屏蔽套溫度升高。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從[初始轉(zhuǎn)速值]提高到[增加后的轉(zhuǎn)速值]時(shí)，通過溫度測量裝置監(jiān)測到屏蔽套的平均溫度升高了[X]℃。在不同的運(yùn)行工況下，屏蔽套的溫度變化呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。在電機(jī)啟動(dòng)階段，由于轉(zhuǎn)速從零逐漸上升，電流較大，繞組銅耗和鐵耗都處于較高水平，屏蔽套溫度會(huì)快速上升。隨著電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速和負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，屏蔽套溫度也會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載或轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，屏蔽套溫度會(huì)隨之迅速變化，需要一定時(shí)間才能重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。例如，在電機(jī)突然加載的情況下，屏蔽套溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，然后隨著時(shí)間的推移逐漸趨于新的穩(wěn)定值。電機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速等條件對(duì)屏蔽套熱性能影響較大。在電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要充分考慮不同工況下屏蔽套的溫度變化情況，采取有效的散熱措施，如優(yōu)化冷卻系統(tǒng)、增加散熱面積等，以保證屏蔽套在各種工況下都能保持良好的熱性能，確保電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。五、屏蔽套電磁與熱問題的綜合分析5.1電磁與熱的耦合關(guān)系在兆瓦級(jí)雙屏蔽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，屏蔽套的電磁與熱問題并非孤立存在，而是存在著緊密的雙向耦合關(guān)系。這種耦合關(guān)系使得屏蔽套的性能分析變得更加復(fù)雜，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能也有著重要影響。從電磁到熱的耦合過程來看，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組通入三相交流電，