高溫高壓高濕環(huán)境用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尹 默， 柴全微， 高云鵬， 尹天舒， 潘 衛(wèi)

(1. 臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473008；2. 三一重型能源裝備有限公司，北京 102200； 3. 河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

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高溫高壓高濕環(huán)境用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尹 默1， 柴全微1， 高云鵬2， 尹天舒3， 潘 衛(wèi)1

(1. 臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473008；2. 三一重型能源裝備有限公司，北京 102200； 3. 河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

為了研制一種耐高溫(220℃)、耐水蒸氣壓2MPa工況條件4h后，能安全可靠運(yùn)行的特種電動(dòng)機(jī)，引用特殊軸貫通密封技術(shù)、配合面密封技術(shù)、接線盒密封技術(shù)和繞組絕緣密封技術(shù)，并選用耐高溫軸承。通過(guò)整機(jī)適應(yīng)性試驗(yàn)及高溫、高壓、高濕環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性及可靠性。

軸貫通密封； 配合面密封； 接線盒密封； 絕緣密封技術(shù)

0 引 言

一種高溫(220℃)、2MPa的水蒸氣壓4h后安全運(yùn)行的特種電動(dòng)機(jī)的研制，徹底解決了煤礦井下作業(yè)、深水水下動(dòng)力設(shè)備事故后逃生等一系列問(wèn)題。該電機(jī)可被推廣應(yīng)用在艦用設(shè)備、井下安全等急救領(lǐng)域，對(duì)事故后挽救生命、減小災(zāi)害可發(fā)揮不可估量的作用。此項(xiàng)目的研制不僅可提高電動(dòng)機(jī)對(duì)特殊應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性，滿足特種工業(yè)發(fā)展需要，而且可填補(bǔ)國(guó)內(nèi)耐高溫高壓高濕電動(dòng)機(jī)的空白，為特種電動(dòng)機(jī)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。該項(xiàng)目考慮了使用環(huán)境可能產(chǎn)生的多種極端情況，采取了多方面應(yīng)對(duì)措施，大幅度提高了設(shè)備對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力及運(yùn)行的可靠性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)耐高溫性能需要考慮選用耐高溫材料，為了實(shí)現(xiàn)耐2MPa水蒸氣壓，需對(duì)電動(dòng)機(jī)軸貫通密封、接線盒密封、繞組絕緣密封等進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。具體主要包括以下五個(gè)方面。

1.1 耐高溫高壓高濕軸貫通密封結(jié)構(gòu)

通過(guò)選用耐溫高、耐壓強(qiáng)、密封性能好且摩擦因數(shù)小的兩個(gè)機(jī)械密封件，并排放置在電機(jī)端蓋與電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間，結(jié)合擋板環(huán)形槽中的軸面油封，形成三道密封，通過(guò)外側(cè)擋板軸向壓緊，實(shí)現(xiàn)可靠密封[1]。軸貫通部分有三道密封： 一道軸面密封(氟橡膠材料)+兩道增強(qiáng)四氟密封圈,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中增強(qiáng)四氟密封件[2- 4](用于旋轉(zhuǎn)密封)耐溫為-200～260℃,摩擦因數(shù)較小，為0.11，無(wú)毒、耐磨、耐壓、耐輻照。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，該密封件比傳統(tǒng)骨架油封承受高溫高壓氣體壓力的能力強(qiáng)得多。通過(guò)設(shè)置這三道密封件，使得電機(jī)軸貫通處實(shí)現(xiàn)了高溫、高壓工況下無(wú)滲漏，密封效果良好，保證了電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。

圖1 軸貫通處密封件安裝示意圖

1.2 耐高溫高壓高濕配合面結(jié)構(gòu)

所有配合面采用圓筒止口配合，加O形密封圈，O形密封圈直徑不小于3.55mm，端蓋與機(jī)座配合處密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。經(jīng)過(guò)多次高水壓對(duì)比試驗(yàn)，最終將密封圈壓縮量由常規(guī)的25%提高到38%，能夠有效承受外界高壓。

圖2 端蓋與機(jī)座止口配合處密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 耐高溫高壓高濕接線盒結(jié)構(gòu)

該接線盒密封結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分[5]： 第一部分，在盒蓋與盒座之間增加高強(qiáng)度密封圈；第二部分，在外接電纜上采用多層O形圈和墊片結(jié)合外加引入密封螺紋套，隨螺紋的擰入，電纜被擰緊；第三部分，單根電纜進(jìn)入接線盒內(nèi)，采用第二部分密封螺紋套形式。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 接線盒三維爆炸圖

首次采用將電機(jī)引接線引入到接線盒內(nèi)，外部電源電纜也引入到接線盒內(nèi)。安裝時(shí)，僅旋轉(zhuǎn)螺套即可將兩接線螺栓連接在一起，避免損傷電機(jī)引接線和外接電纜，如圖4所示。

圖4 引接線和外接電纜連接示意圖

為增加可靠性，在螺栓與螺套連接好后，采用耐高溫硅橡膠自粘帶半疊包包裹3層，搭接長(zhǎng)度不小于8mm。硅橡膠自粘帶拉伸長(zhǎng)度約增加60%，包好后用玻璃漆管墊包，并用耐高溫層壓板固定。保證接線盒內(nèi)的導(dǎo)電部位無(wú)任何裸漏，同時(shí)具有良好的密封性及耐高溫高壓高濕性能，提高了高溫高壓高濕環(huán)境下電機(jī)運(yùn)行的電氣安全性。

1.4 耐高溫高壓高濕定子繞組絕緣處理

繞組是電機(jī)的核心部分，一旦進(jìn)水，繞組絕緣會(huì)喪失，電機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行。對(duì)繞組加以防護(hù)，且達(dá)到有效隔離220℃水蒸氣、耐受2MPa壓力是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)。通過(guò)絕緣材料的選擇滿足耐高溫要求，通過(guò)真空壓力浸漆(Vacuum Pressure Impregnation, VPI)和滴浸澆封兩種工藝結(jié)合實(shí)現(xiàn)密封耐受2MPa水蒸氣壓，從而滿足高溫高壓環(huán)境要求[6]。

1.4.1 絕緣材料選擇

為了滿足耐高溫要求，所有絕緣材料均選擇耐220℃高溫的材料。電磁線選用水壓特種電動(dòng)機(jī)用復(fù)合電磁線聚酯亞胺漆包銅圓線[7-8]Q(ZY/XY)-3/220。最小熱沖擊溫度應(yīng)為240℃；軟化擊穿在400℃下2min內(nèi)應(yīng)不擊穿；高溫試驗(yàn)溫度為220℃，擊穿電壓滿足GB6109.1第13條規(guī)定；漆膜連續(xù)性和耐水性每軸電磁線的缺陷數(shù)為0(將整軸電磁線放在干凈水中,兩端伸出水面,用1000V兆歐表測(cè)量時(shí),絕緣電阻大于10MΩ不視為缺陷；用500V兆歐表測(cè)量時(shí),絕緣電阻大于50MΩ不視為缺陷)。耐熱性符合GB6109.6第5.7條規(guī)定,20000h外推壽命的相應(yīng)溫度應(yīng)不低于220℃，當(dāng)240℃時(shí)的測(cè)試壽命應(yīng)不少于5000h；導(dǎo)體尺寸、絕緣厚度、漆包線最大外徑、電阻、伸長(zhǎng)率、回彈性、柔韌性和附著性、耐溶劑、耐刮性等符合GB6109.1要求。

引接線電纜采用硅橡膠引接線JHXG-500，滿足220℃、2MPa水蒸氣環(huán)境持續(xù)4h后性能測(cè)試指標(biāo)達(dá)常規(guī)測(cè)試指標(biāo)的80%，具體耐電壓試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、熱效應(yīng)試驗(yàn)、耐溶劑、耐浸漬漆試驗(yàn)等符合JB/T6213.4—2006《電動(dòng)機(jī)繞組引接軟電纜和軟線 第1部分： 一般規(guī)定》的規(guī)定。

槽楔采用雙馬來(lái)酰亞胺層壓板9334。雙馬來(lái)酰亞胺由于含有苯環(huán)、酰亞胺雜環(huán)及交聯(lián)密度較高，而使其固化物具有優(yōu)良的耐熱性，使用溫度范圍為177～232℃。主絕緣采用聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料6650。6650由兩層聚芳酰胺纖維紙中間夾聚酰亞胺薄膜，用適合的粘結(jié)劑復(fù)合而成，具有優(yōu)異的機(jī)械、介電和耐熱性能，長(zhǎng)期耐熱指數(shù)大于180℃。

絕緣漆采用瓦克有機(jī)硅浸漬漆sILREs@H62C。它是一種沒(méi)有使用有機(jī)成分改性的甲基苯基乙烯基聚硅氧烷[9-13]，耐熱指數(shù)300～800℃、電氣強(qiáng)度27V/mm。

1.4.2 繞組密封設(shè)計(jì)

繞組采用VPI工藝和滴浸澆封工藝，使定子槽與線棒間間隙得到充分填充，繞組端部與外界有效隔離，有繞組定子鐵心成為一個(gè)完整密閉整體，如圖5所示。

滴浸處理： 繞組完成下接線并與電纜線連接完好后進(jìn)行滴浸處理。工件電纜線與發(fā)電機(jī)組連接，電流8～14A，工件表面溫度80～100℃，滴浸時(shí)間約為2h。繞組表面形成一層均勻的漆膜，厚度約為2mm，然后進(jìn)行真空壓力浸漆浸漬。

圖5 繞組密封處理后

真空壓力浸漬瓦克絕緣漆，浸漆工藝： 抽真空(300Pa)→保真空(180min)→輸漆→破真空(60min)→加壓(0.5MPa)→保壓(420min)→烘干(150℃、14h)。

1.4.3 電纜線與電磁線連接處密封處理

設(shè)計(jì)8套不同的電纜線與電磁線連接處密封試驗(yàn)方案，進(jìn)行耐2MPa水壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)如圖6所示。其中一個(gè)試樣在2MPa壓力的水中浸泡4h后絕緣電阻仍為無(wú)窮大。于是有電纜線與電磁線連接處密封方案如下： 先在定子繞組引出線上預(yù)套一個(gè)絕緣套管；定子繞組引出線與引接電纜對(duì)焊焊接連接；在焊接部位纏繞兩層粉云母帶，然后移動(dòng)橡膠套管與引接電纜連接，示意圖見(jiàn)圖7。

圖6 電纜線與電磁線連接處密封耐2MPa水壓力試驗(yàn)

1.5 軸承的選用

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境及冷卻方式，估算正常軸承工作時(shí)軸承內(nèi)外圈溫差為20～40K，電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)及高溫下運(yùn)行時(shí)軸承游隙將減少，振動(dòng)將加劇，因此軸承選用C3大游隙耐高溫高壓低振動(dòng)專用密封軸承： TD63XX-2Z/C4/Z4/P5高精度低振動(dòng)密封型軸承。該軸承保持架采用沖壓鋼,有重量輕、體積小、能夠容納和保持更多潤(rùn)滑脂的特點(diǎn)，對(duì)封閉軸承來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)特點(diǎn)尤其重要；振動(dòng)等級(jí)采用Z4低振動(dòng)型,比常規(guī)電動(dòng)機(jī)使用的Z2振動(dòng)級(jí)別提高了兩級(jí),精度等級(jí)P5,比常規(guī)P0提高了兩個(gè)等級(jí)。潤(rùn)滑脂采用德馳高低溫潤(rùn)滑脂，適合溫度范圍： -50～220℃，優(yōu)異的高低溫性能，保證潤(rùn)滑部件寬溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；良好的氧化安定性，保證潤(rùn)滑部位高溫長(zhǎng)期正常工作；良好的機(jī)械安定性和膠體安定性，保證本產(chǎn)品正常粘附在潤(rùn)滑部位而不會(huì)流失，優(yōu)異的極壓抗磨性能，保證軸承在重負(fù)荷下的正常潤(rùn)滑。

圖7 電纜線與電磁線連接處密封示意圖

2 項(xiàng)目試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證耐高溫高壓電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及可靠性，對(duì)整機(jī)進(jìn)行一系列試驗(yàn)。

2.1 整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案制作多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)[14]，具體包括： 傾斜搖擺試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)條件、試驗(yàn)結(jié)果及參考標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，其中傾斜搖擺試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)如圖8所示。

表1 整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

圖8 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

2.2 耐高溫高壓高濕環(huán)境試驗(yàn)

耐高溫高壓高濕環(huán)境試驗(yàn)在中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所按試驗(yàn)大綱進(jìn)行，試驗(yàn)罐升溫220K，飽和水蒸氣壓至2MPa后維持此環(huán)境條件4h，整個(gè)過(guò)程對(duì)溫度、壓力、電機(jī)絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果記錄如圖9所示。4h后泄壓降溫，電動(dòng)機(jī)通電后可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，拆開(kāi)接線盒檢查密封情況，接線盒干燥未進(jìn)水，如圖10所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)整機(jī)性能試驗(yàn)，可得高溫高壓高濕環(huán)境用電動(dòng)機(jī)軸貫通密封設(shè)計(jì)、配合面密封設(shè)計(jì)、接線盒密封設(shè)計(jì)、繞組密封設(shè)計(jì)合理，可保證電動(dòng)機(jī)在220℃高溫、2MPa水蒸氣壓工況條件4h后，安全可靠運(yùn)行。此類電動(dòng)機(jī)的研制成功，徹底解決了煤礦井下作業(yè)、深水水下動(dòng)力設(shè)備事故后逃生等一系列問(wèn)題，意義重大，可在相關(guān)領(lǐng)域廣泛推廣。

圖9 絕緣電阻隨溫度和壓力的變化曲線

圖10 高溫高壓后密封及性能驗(yàn)證

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Structure Design of Electric Motor for High Temperature High Pressure High Humidity Environment

YINMo1，CHAIQuanwei1，GAOYunpeng2，YINTianshu3，PANWei1

(1. Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., Nanyang 473008, China；2. Sang Heavy Energy Equipment Co., Ltd., Beijing 102200, China；3. Henan University of Technology， Zhengzhou 450001, China)

In order to develop a kind of special motor which could be safe and reliable operation after high temperature(220℃)、water vapor pressure 2MPa conditions 4 hour，the structure design was introduced to the high temperature and sealing technology which were shaft sealing technology, processing surface sealing technology, junction box sealing technology, winding sealing technology and high temperature bearing. Finally, experiments of Complete machine adaptability test and high temperature, high pressure environment and high humidity test were conducted to verify. It verified the feasibility and reliability of the whole structure design.

shaft sealing technology; processing surface sealing technology; junction box sealing technology; winding sealing technology

尹 默(1968—)，男 ，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)絕緣理論及涂裝工藝。

柴全微(1986—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)絕緣結(jié)構(gòu)及涂裝工藝。

TM 302

A

1673-6540(2016)10- 0067- 05

2016-03-28

高云鵬(1987—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)電磁分析與計(jì)算。