淺談干式高壓潛水電機(jī)設(shè)計(jì)

陳維，鄧陶然

（ 1.無錫中基電機(jī)制造有限公司，江蘇 無錫 214046；2.衡陽市大地泵業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 421000 ）

淺談干式高壓潛水電機(jī)設(shè)計(jì)

陳維1，鄧陶然2

（ 1.無錫中基電機(jī)制造有限公司，江蘇 無錫 214046；2.衡陽市大地泵業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 421000 ）

從電磁、密封結(jié)構(gòu)、通風(fēng)結(jié)構(gòu)和監(jiān)控等方面闡述干式高壓潛水電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，根據(jù)水泵實(shí)際運(yùn)行工況和使用環(huán)境特殊性，設(shè)計(jì)符合水泵實(shí)際運(yùn)行要求的電機(jī)產(chǎn)品。

高壓；潛水電機(jī)；通風(fēng)結(jié)構(gòu)；密封結(jié)構(gòu)

0 引言

潛水電泵是一種以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)應(yīng)用在污水處理、水利工程等重要場合的離心式水泵。隨著市場對(duì)潛水電泵流量及揚(yáng)程不斷增大的需求，與之配套的電機(jī)功率也逐漸增大，如仍采用低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與之對(duì)應(yīng)的大電流、大電纜等也隨之而來，而電纜本身的重量對(duì)其布線和固定帶來較大不便，電纜增大的同時(shí)也對(duì)引出電纜的密封增添了困難。如可找到一種在水下5 m正常運(yùn)行的高電壓電機(jī)將可解決以上問題，高壓潛水電機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生。

1 電磁設(shè)計(jì)

高壓潛水電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與普通緊湊型高壓電機(jī)設(shè)計(jì)相類似，由于電機(jī)運(yùn)行在水中，其散熱性能好于緊湊型高壓電機(jī)，故高壓潛水電機(jī)可以取較高的電磁負(fù)荷，但應(yīng)根據(jù)電泵的運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核。

1.1 啟動(dòng)校核

小型水泵用電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)常忽略了電機(jī)啟動(dòng)性能的校核，而大型水泵尤其是潛水泵，因其葉輪直徑較大從而慣量也較大，電機(jī)的啟動(dòng)校核尤為重要。

1.1.1電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算

電機(jī)轉(zhuǎn)速從0加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間稱為電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，計(jì)算如下：

1.1.2電機(jī)各部分啟動(dòng)溫升

定子繞組在啟動(dòng)過程中的溫升計(jì)算公式如下：

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、端環(huán)啟動(dòng)溫升計(jì)算如下：

1.1.3電機(jī)主要部件溫升限值

對(duì)于F級(jí)絕緣B級(jí)考核的電機(jī)各主要部件轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、定子繞組、端環(huán)的溫升限值K規(guī)定如下：

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條：350℃（冷態(tài)）300℃（熱態(tài)）定子繞組：155℃

端環(huán)：210℃（2、4極）80℃（6極及以上）---冷態(tài)

190℃（2、4極）50℃（6極及以上）---熱態(tài)

加速時(shí)的溫升限值（一次熱態(tài)或者兩次冷態(tài)下啟動(dòng)）

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條：250℃

定子繞組：85℃

端環(huán)：120℃（2、4極）50℃（6極及以上）

1.2 最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)校核

水泵類負(fù)載一般認(rèn)為其負(fù)載波動(dòng)不大，對(duì)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)并不做太大要求，但根據(jù)現(xiàn)場和返廠維修的電泵進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)雜物進(jìn)入蝸殼卡死葉輪，導(dǎo)致燒機(jī)的現(xiàn)象較多，雜物中以小樹枝、爛布條等居多。如類似雜物進(jìn)入蝸殼后可被葉輪隨即打斷或切斷，將有效提高電泵的運(yùn)行可靠性。因此，需在葉輪對(duì)雜物進(jìn)行處理的瞬間，要求電泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供較大的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（切割泵），當(dāng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)提高到2.0以上可減少60%因此類問題而導(dǎo)致的燒機(jī)。建議高壓潛水電泵的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)保證值應(yīng)大于2.0。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 密封

潛水高壓電機(jī)運(yùn)行在水中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須做到嚴(yán)格密封，密封設(shè)計(jì)的可靠性將影響整個(gè)電泵的性能。

2.1.1引出電纜、控制電纜密封

電纜從頂蓋或接線盒蓋引出，為保證其密封性，高壓潛水電泵密封結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖1所示。

2.1.2主要結(jié)構(gòu)件止口密封

各主要結(jié)構(gòu)件之間采用O型密封圈密封，密封示意見圖2，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意避免O型密封圈的失效。O型密封圈失效原因通常是由于密封圈被擠入間隙而造成，因此配合間隙（溝槽）的設(shè)計(jì)直接影響O型密封圈的密封效果。O型圈壓縮量計(jì)算公式如下：

壓縮量值為10%～15%。根據(jù)壓縮量結(jié)合GB/T 3452.3設(shè)計(jì)O型圈溝槽尺寸與公差。

2.1.3傳動(dòng)端密封結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)端采用三道機(jī)械密封，密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，各止口之間通過O型密封圈進(jìn)行密封，油室與油室之間通過一個(gè)機(jī)械密封座和機(jī)械密封隔開。此密封結(jié)構(gòu)增加電機(jī)可靠性，減少了因機(jī)械密封失效而引起的故障發(fā)生。

2.2 軸承設(shè)計(jì)

潛水電機(jī)軸與泵體共用一根軸，電機(jī)軸承承擔(dān)電機(jī)轉(zhuǎn)子自重外還需承擔(dān)泵體重量和水泵工作時(shí)的軸向力，軸承的選擇是潛水高壓電機(jī)不同于普通高壓電機(jī)的區(qū)別之一。圖4為潛水高壓電機(jī)軸受力示意圖，軸的受力反饋至軸承，軸的受力可以等效為軸承受力。

在額度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為恒定，軸承壽命計(jì)算公式如下：

如圖4所示，軸既受到向下的軸向力（自身重量+泵體及向下推力）又受到徑向力（磁拉力），當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷計(jì)算如下：

2.3 電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)

如圖5電機(jī)整體結(jié)構(gòu)及風(fēng)路圖所示，電機(jī)內(nèi)部采用軸向通風(fēng)，風(fēng)路系統(tǒng)的動(dòng)力由套在軸上的離心風(fēng)扇產(chǎn)生。根據(jù)電機(jī)換熱量，求出電機(jī)內(nèi)部所需要的風(fēng)量風(fēng)壓，通過風(fēng)量風(fēng)壓并結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)離心風(fēng)扇。

電機(jī)內(nèi)風(fēng)路為：轉(zhuǎn)子外徑——離心風(fēng)扇——內(nèi)風(fēng)道——轉(zhuǎn)子外徑。

熱交換過程為：定轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的熱量傳遞到內(nèi)部冷空氣，空氣中的熱量傳遞到內(nèi)風(fēng)道，內(nèi)風(fēng)道熱量傳遞到電機(jī)外部（液體），因此，整個(gè)水泵在運(yùn)行過程中，水位不能低于電機(jī)頂部。

3 監(jiān)控設(shè)計(jì)

水下環(huán)境較為復(fù)雜，電泵或可因水下環(huán)境的變化出現(xiàn)各種“癥狀”，如葉輪卡死、機(jī)械密封失效、軸承油脂污染等。為了防止以上現(xiàn)象擴(kuò)散造成更大損失，可對(duì)電機(jī)各部分進(jìn)行監(jiān)控。

圖6所示電機(jī)內(nèi)部設(shè)有定子繞組溫度及軸承溫度測量元件、機(jī)械密封監(jiān)控探頭，電機(jī)外部控制電路設(shè)有缺相、欠壓、過壓、過電流等監(jiān)控設(shè)備。

其中，電泵傳動(dòng)端設(shè)有3道防水探頭，引出電纜端設(shè)有1道防水探頭，當(dāng)傳動(dòng)端第1道機(jī)械密封失效后，1號(hào)探頭發(fā)出報(bào)檢警報(bào)信號(hào)，電泵正常運(yùn)行；當(dāng)?shù)?道機(jī)械密封失效后，2號(hào)探頭發(fā)出維修警報(bào)信號(hào)，電泵正常運(yùn)行；當(dāng)?shù)?到或者引出電纜端密封失效后，3號(hào)或4號(hào)探頭發(fā)出維修警報(bào)信號(hào)，電泵停機(jī)。

4 結(jié)語

基于以上技術(shù)，成功研制的高壓潛水電機(jī)傳動(dòng)端機(jī)械密封和預(yù)報(bào)警措施提高了電泵的運(yùn)行可靠性，起到了應(yīng)有效果，得到用戶的一致肯定。

[1]邢建賓，邢棟.礦用潛水電泵高壓電機(jī)設(shè)計(jì)[J].防爆電機(jī)，2015(2).

[2]白旭華.潛水電機(jī)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(3).

[3]JB/T 10869-2008中大型高、低電壓潛水泵電動(dòng)機(jī)（機(jī)座號(hào)315-630）[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]GB/T 3452.3-2005 液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈第一部分：尺寸系列及公差[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5]傅豐禮.異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)溫升的工程計(jì)算方法[J].電機(jī)技術(shù)，1993(2).

The Dry Type High Voltage Submersible Motor Design

Chen Wei1,Deng Taoran2
(1. Wuxi MCM Electric Machinery Co.,Ltd, Jiangsu 214046, China; 2. Hengyang theearth pump limited liability company, Hunan 421000, China)

The design of dry-type high-voltage submersible motor is explained from the aspects of electromagnetic, sealing structure, ventilation structure and monitoring. According to the particularity of the actual pump operating conditions and the operation environment, design ideas are consistent with the actual operation requirements of motor pump.

high voltage; submersible motor; ventilation structure; seal structure

TM358

A

1674-2796（2017）02-0006-04

2017-01-11

陳維（1985—），男，大學(xué)本科，主要從事大中型電機(jī)電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。