淺談潛水電動(dòng)機(jī)的型式及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

黃家友，鮑曉華，莢小健

（1. 合肥三益江海泵業(yè)有限公司，合肥 231131；2. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

潛水電動(dòng)機(jī)是一種用于水下驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，常與潛水泵組裝成潛水電泵機(jī)組，用于提取地下水，供城市、農(nóng)村的生活、生產(chǎn)用水，農(nóng)田排灌，也可用于工礦企業(yè)給排水，污水污物處理和排洪等多種場(chǎng)合。由于具有性能優(yōu)良、安全可靠、可節(jié)約基建投資等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

1 潛水電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)

潛水電動(dòng)機(jī)按照其特性的不同可分為多種型式，本文主要從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，將潛水電動(dòng)機(jī)分為以下四種基本的型式：

1.1 干式潛水電動(dòng)機(jī)

干式潛水電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔充滿空氣，軸伸端裝有機(jī)械密封裝置和橡膠油封，能阻止水分和潮氣進(jìn)入內(nèi)腔。有的干式電動(dòng)機(jī)軸伸向下，電動(dòng)機(jī)下部帶有一個(gè)氣室，當(dāng)潛入水中時(shí)，形成一個(gè)氣墊結(jié)構(gòu)或空氣密封結(jié)構(gòu)，阻止水分進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)得到雙重保護(hù)，從而提高了其可靠性。

1.2 充油式潛水電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)為充油密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔充滿絕緣潤(rùn)滑油，各止口配合部位均裝有耐油橡膠“O”型圈，軸伸端裝有機(jī)械密封裝置，既能防止外部水分和潮氣進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔，又能阻止機(jī)內(nèi)絕緣潤(rùn)滑油外泄。有的充油式電動(dòng)機(jī)下部有保壓裝置，能在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中始終保持其內(nèi)腔油壓大于外部水壓。

1.3 充水式潛水電動(dòng)機(jī)

充水式潛水電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔充滿清水（一般為純凈軟水），軸伸端裝有機(jī)械密封裝置和橡膠油封，能防止外部污水或泥砂雜質(zhì)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔。下部裝有橡膠囊，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)平衡機(jī)內(nèi)外水壓，防止機(jī)內(nèi)外水通過(guò)油封裝置進(jìn)行互換，從而減少外部雜質(zhì)隨水進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的機(jī)會(huì)。

1.4 屏蔽式潛水電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)定子由非磁性不銹鋼制作的薄壁屏蔽套、端環(huán)和機(jī)殼組成的密封室嚴(yán)密封閉，內(nèi)充固體填充物或絕緣油。轉(zhuǎn)子腔內(nèi)充滿清水或防銹潤(rùn)滑液，軸伸端裝有機(jī)械密封裝置，能防止轉(zhuǎn)子腔內(nèi)液體漏出機(jī)外，并防止外部泥砂雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)內(nèi)。一般下部也帶有壓力平衡裝置，以維持機(jī)內(nèi)外液體壓力的平衡。

2 潛水電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

潛水電動(dòng)機(jī)從原理上來(lái)說(shuō)是一種特殊的三相異步電動(dòng)機(jī)，但是由于使用環(huán)境的不同，使得它具有不同于傳統(tǒng)三相異步電動(dòng)機(jī)的獨(dú)特的特點(diǎn)。本文主要以充水式潛水電動(dòng)機(jī)為例，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁設(shè)計(jì)兩方面簡(jiǎn)要闡述其特點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

充水式潛水電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 充水式潛水電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)機(jī)的定子4、轉(zhuǎn)子5和軸承3均在水中工作，上、下部裝有上、下導(dǎo)軸承2和10，軸承采用自潤(rùn)滑性能優(yōu)良、抗咬合性良好的耐磨材料石墨或FB102等。軸下端裝有水潤(rùn)滑止推軸承9，用于承受電泵運(yùn)行時(shí)的泵轉(zhuǎn)子和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自重，同時(shí)承受運(yùn)行時(shí)由于水泵葉輪不平衡產(chǎn)生的軸向推力。為了限制水泵起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)軸向上竄動(dòng)，在滑板組件的上部裝有上止推軸承7。外部增加散熱筋6，底座12內(nèi)腔充滿清水且容積較大，這些都加強(qiáng)了電動(dòng)機(jī)的散熱效果。充水式潛水電動(dòng)機(jī)一般在水下運(yùn)行，當(dāng)水質(zhì)較差或水中含砂量較大時(shí)單純的機(jī)械密封往往不能滿足要求，這就需要增加甩砂圈1，它的作用相當(dāng)于水泵副葉輪的作用，很大程度上阻止了泥砂和雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)械密封。電纜出線采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)，通過(guò)平壓墊蓋1壓緊皮碗密封圈2，使之與電纜3緊密貼合，基本上杜絕了電動(dòng)機(jī)內(nèi)、外部的水通過(guò)電纜孔實(shí)現(xiàn)交換。有的充水式潛水電動(dòng)機(jī)還有補(bǔ)水結(jié)構(gòu)，防止由于接合面間的細(xì)微滲漏造成的電動(dòng)機(jī)內(nèi)部水量的減少。

圖2 電纜出線結(jié)構(gòu)圖

2.2 電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

首先，由于采用水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，軸承與軸間存在初始間隙，定轉(zhuǎn)子間存在初始偏心，隨著電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，滑動(dòng)軸承會(huì)逐漸磨損，軸承與軸間隙會(huì)逐漸增大，定轉(zhuǎn)子偏心增大，轉(zhuǎn)子受到的單邊磁拉力增大，轉(zhuǎn)軸撓度隨之相應(yīng)增大。為了保證長(zhǎng)期安全運(yùn)行，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)定轉(zhuǎn)子氣隙取值要比一般用途電動(dòng)機(jī)要大，從而增大了磁化電流，導(dǎo)致充水式潛水電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)相對(duì)較低。

其次，由于充水式潛水電動(dòng)機(jī)內(nèi)部充滿清水，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的水磨耗數(shù)值較大，使得總損耗增大，導(dǎo)致充水式潛水電動(dòng)機(jī)整體效率偏低。潛水電機(jī)在運(yùn)行中的損耗和一般異步電機(jī)基本相同，包括繞組銅（鋁）損耗、鐵損耗，機(jī)械損耗和雜質(zhì)耗。對(duì)于潛水電機(jī)來(lái)說(shuō)，繞組銅（鋁）損耗是定、轉(zhuǎn)子在基準(zhǔn)工作溫度下額定運(yùn)行時(shí)由電流產(chǎn)生的I2R損耗；鐵損耗一般與定、轉(zhuǎn)子沖片有關(guān)；雜質(zhì)損耗一般為潛水電機(jī)輸入功率的0.005倍。這三種損耗對(duì)于充水式、充油式和干式潛水電機(jī)來(lái)說(shuō)只要定、轉(zhuǎn)子繞組和定、轉(zhuǎn)子沖片相同基本上是不變的。機(jī)械損耗由軸承損耗、轉(zhuǎn)子在介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗和為了防止機(jī)外液體和雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)內(nèi)而在軸伸端安裝的機(jī)械密封和骨架油封所產(chǎn)生的損耗三部分組成。轉(zhuǎn)子的介質(zhì)摩擦損耗對(duì)于充水式、充油式和干式潛水電機(jī)來(lái)說(shuō)分別為水摩耗、油摩耗和風(fēng)摩耗，可由下式計(jì)算：

—轉(zhuǎn)子外圓直徑（m）；

L——轉(zhuǎn)子鐵心檔全長(zhǎng)（m）；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；

v——轉(zhuǎn)子外圓的圓周速度（m/s）；

γ——水或油的重度（N/m3）；

K——與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。

由式（1）可知，只要轉(zhuǎn)子相同，轉(zhuǎn)子介質(zhì)摩擦損耗只與潛水電機(jī)內(nèi)部所充介質(zhì)的重度有關(guān)。對(duì)于水、油和氣體來(lái)說(shuō)，水的重度最大，油其次，氣體的重度最小，所以充水式潛水電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子介質(zhì)損耗比干式潛水電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子介質(zhì)損耗大得多，往往可以相差幾百倍。由于充水式潛水電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子介質(zhì)損耗較大，使得充水潛水電機(jī)的機(jī)械損耗很大，總損耗相應(yīng)也很大。在繞組和沖片條件相同的情況下，充水式潛水電動(dòng)機(jī)的效率最低，一般情況下比干式潛水電機(jī)一般低 5～6個(gè)百分點(diǎn)。

再者，充水式潛水電機(jī)采用充水密封結(jié)構(gòu)和水循環(huán)結(jié)構(gòu)，定子繞組、鐵心、轉(zhuǎn)子等均直接浸在水中，由水直接冷卻。電動(dòng)機(jī)機(jī)殼也是直接浸沒(méi)在外部水環(huán)境中的，機(jī)內(nèi)熱量通過(guò)機(jī)殼和機(jī)殼上的散熱筋直接散發(fā)到水中，冷卻條件極好。有的充水潛水電機(jī)在電機(jī)內(nèi)部還設(shè)計(jì)有水循環(huán)系統(tǒng)，使電機(jī)內(nèi)部水形成流動(dòng)的循環(huán)，更加增強(qiáng)了充水潛水電機(jī)的散熱能力。因此在設(shè)計(jì)充水式潛水電機(jī)時(shí)定、轉(zhuǎn)子電密值、熱負(fù)荷值和各部分磁密值一般都可以取的較大。

3 發(fā)展趨勢(shì)及面臨困難

近十幾年來(lái)，隨著我國(guó)礦山事業(yè)的發(fā)展，潛水電泵用量逐年擴(kuò)大，為潛水電動(dòng)機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的前景。但隨著礦山開(kāi)采向深度發(fā)展，地下水位不斷下降，導(dǎo)致用戶對(duì)潛水電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率要求越來(lái)越高，這就對(duì)潛水電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)提出了更高的要求。加之我國(guó)地下水資源復(fù)雜，有的地區(qū)地下水溫度比較高，有的地區(qū)地下水酸堿度較大，更迫切需要我們采用新材料、新工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)多種型式的潛水電機(jī)。目前我國(guó)潛水電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造水平已經(jīng)有了很大的提高，如用冷軋沖片替代傳統(tǒng)的熱軋沖片，采用FB102等性能優(yōu)良的水潤(rùn)滑摩擦材料，研制高溫耐水線等，但在產(chǎn)品的節(jié)能節(jié)材、更新?lián)Q代方面還與國(guó)際先進(jìn)水平存在很大的距離，這些都是擺在我們面前的緊迫任務(wù)。