無密封電動機在深海聲學釋放器中應用的可行性研究

徐　行, 王　猛, 樸仁俊, 張　婧, 張航悅

(中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院, 北京　100083)

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無密封電動機在深海聲學釋放器中應用的可行性研究

徐行, 王猛, 樸仁俊, 張婧, 張航悅

(中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院, 北京100083)

分析了傳統深海聲學釋放器存在體積大、重量大、成本高以及電機旋轉式聲學釋放器存在的動密封困難等問題,提出了基于無密封電機的深海聲學釋放器總體方案設計,將控制電機置于承壓密封艙外部以避開動密封困難的難題,并且減小聲學釋放器的體積和重量,降低成本。確定采用二相混合式步進電機作為聲學釋放器的控制電機,并從步進電機的結構、材質、工作原理等方面,討論了深海條件下無密封步進電動機的耐壓、絕緣、防腐等問題。經理論分析和鹽水槽實驗驗證,在深海條件下基于無密封電機的聲學釋放器在中短期時間內可正常工作。

無密封電動機； 深海條件； 聲學釋放器； 防腐； 絕緣； 耐壓

深海聲學釋放器是應用水聲通信原理,通過一對水聲換能器進行通信,控制釋放機構執行脫鉤動作,釋放錨定沉塊,實現浮體帶著儀器上浮的裝置[1]。國外以美國TeledyneBenthos公司、英國Sonardyne公司為代表的世界先進海洋設備設計制造商,已研制出較為成熟的水下聲學釋放器。目前國內對于深海聲學釋放器的研制能力相比國外還很薄弱,生產的聲學釋放器可靠性不高[2-3]。為保證其他重要海試設備的回收,目前國內使用的聲學釋放器幾乎全靠進口,每年需耗費大量的外匯,但是所購買的聲學釋放器仍然面臨體積大、重量大、成本高等問題。

電機旋轉式聲學釋放器是目前廣泛應用的一種聲學釋放器,制備電機旋轉式聲學釋放器的關鍵技術之一就在于電機旋轉軸運動過程中的密封(又稱動密封),其涉及到釋放載荷、最大工作水深、釋放器外殼材料等性能。動密封處理不好,在試壓和海試過程中漏水,就會導致工作水深不能到達預定的設計值[4]。

為解決現有聲學釋放器體積大、重量大、成本高以及動密封困難的問題,本文將電機不密封直接置于海水中,設計制造出基于無密封電機的聲學釋放器。本聲學釋放器繞開直接從艙內引出機械旋轉裝置的動密封難題,直接將電機全部浸入海水中,減小了承壓密封艙的體積與重量,從而減小了整個聲學釋放器的體積、重量和成本。

1　基于無密封電機的聲學釋放器總體方案設計

傳統電機旋轉式聲學釋放器由水上分機與水下分機兩部分組成,通過一對水聲換能器相互進行通信[1]。當水下設備需要回收時,水上分機發出釋放指令并通過聲學信號傳遞給水下分機部分,由聲學換能器將聲信號轉換為電信號[5],通過水密電纜傳到聲學釋放器的承壓密封艙內。承壓密封艙內裝有信號解碼模塊、電池組、電機驅動模塊以及低速高扭矩電機。信號通過信號解碼模塊解碼后,傳遞至電機驅動模塊,控制電動機運轉,經過一系列機械裝置的轉換,使得重物釋放。傳統電機旋轉式聲學釋放器的難點與關鍵技術之一就在于電機旋轉軸與承壓密封艙外部的機械釋放裝置的連接所涉及到的動密封問題。

如圖1所示,基于無密封電機的聲學釋放器與傳統電機旋轉式聲學釋放器的不同之處體現在:傳統電機旋轉式聲學釋放器的控制電機在承壓密封艙內,而基于無密封電機的聲學釋放器的控制電機在承壓密封艙外。無密封電機的聲學釋放器的電機與承壓密封艙內電機驅動模塊采用從承壓密封艙內引出的控制線進行連接,有效地避免了傳統電機旋轉式聲學釋放器直接從密封艙內引出機械旋轉裝置的動密封難題,可用普通承壓密封艙取代具有動密封技術的承壓密封艙,以降低成本。即使每次下水之前均更換為新電機,其成本也相對低廉。此外,將電動機置于艙外,有效地減小了承壓密封艙的體積與重量。聲學釋放器的體積和重量大部分源于承壓密封艙,故將電機置于艙外,也有效地減小了整個聲學釋放器的體積和重量,從而進一步降低了成本。以美國TeledyneBenthos公司為例,其生產的代表性聲學釋放器的尺寸為660mm×150mm,在水中的質量為25kg,價格約3萬美元。而基于無密封電機的聲學釋放器的尺寸可以控制在300mm×100mm,在水中的質量約為5kg。

圖1　聲學釋放器設計方案對比

然而,將電機無密封直接置于艙外,雖然避開了動密封的難題,卻面臨了耐壓、防腐、漏電等一系列新問題,且選用哪一種類型的電機也直接決定了聲學釋放器能否有效控制釋放機構執行脫鉤動作。因此,本文有必要對影響深海條件下無密封電動機正常工作的因素進行詳盡的分析并給出相應的解決方案。

2　影響無密封電機正常工作的因素分析

海水是一種富含有多種陰、陽離子的混合溶液,具有高鹽度、高電導率、強腐蝕性等特點。另外，在深海條件下,海底環境還具有很大的壓強,在空氣中能運轉的電機,在深海條件下卻不一定能夠工作。此外,聲學釋放器的機械釋放觸發機構也要求電機能夠實現準確定位和調速。因此,選擇哪種類型的電機,怎樣做好電機的耐壓、防腐、絕緣處理,都將決定無密封電機在深海條件下能否工作。本文將從電動機的選型、耐壓、防腐、絕緣這四個方面著重討論無密封電動機在深海條件下工作是否可行。

2.1電機的選型

基于無密封電機的聲學釋放器將電機出力軸與機械釋放裝置進行巧妙的連接,當電機運轉時,帶動機械釋放裝置進行一系列的機械轉換,使配重塊脫鉤釋放。這一過程對電機的運轉角度和速度有著較嚴格的要求。

步進電機是將數字式電脈沖信號轉化為機械角位移的執行機構,步進驅動器每接收到一個脈沖信號,就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。因此可以通過控制輸入步進驅動器的脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的；還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的[6]。除了控制性能好之外,步進電機還具有慣量低、抗干擾能力強、無累積誤差等特點,可以滿足聲學釋放器的要求。本文采用二相混合式步進電機(見圖2)作為聲學釋放器的控制電機[7]。

圖2　混合式步進電動機結構

目前市場上的混合式步進電機的零部件材質分別為:不導磁的前后端蓋為鋁合金材質；前后端軸承為防銹性能好的不銹鋼軸承；不導磁轉軸為不導磁的不銹鋼材質；第一段轉子、第二段轉子以及定子均是軟磁材料,由硅鋼片疊壓而成；第一段和第二段轉子中間的永磁體一般為磁性非常好的釹鐵硼材料；定子勵磁繞組為漆包線。

2.2深海環境下步進電機的耐壓分析

隨著海水深度的增加,海水壓強會越來越大。Myers、Holm和McAllister考慮了體積模量的作用對不同深處海水的密度的影響,推薦使用下述公式來估算工作水深的壓力[4]:

式中，h為海水的深度,p為該水深處的表計壓力(加上大氣即為絕對壓力,單位為MPa)。一般情況下,如果忽略溫度、含鹽量和因體積彈性模量的改變引起的海水密度變化,每10m深水等于一個海平面大氣壓。在海下4 000m,海水的壓力約為40MPa。這相當于將4 000t重的東西方在1m2的桌子上桌子所承受的壓力大小。因此,將聲學釋放器至于深海中,必須考慮耐壓問題。

對于固體材質而言,當其完全浸沒于海水中時,只要各個部件內部沒有氣泡,沒有產生內外壓差,在理論上是不存在耐壓問題的。故只要在步進電機的質量上進行把關,保證其每個零部件內部沒有氣泡,就無需考慮它的耐壓問題。

對于本文所討論的基于無密封電機的聲學釋放器,需要著重考慮耐壓問題的是其承壓密封艙。這也是本文提出將電機裸露在海水中以避開動密封技術難題的原因之一,將電機置于承壓密封艙之外,只需通過

艙體端蓋水密接插件來保證內外信息的傳遞,有效地緩解了因為深海壓力帶來的承壓密封艙密封困難的問題。而深海耐壓儀器艙的設計已超出本文所要討論的范圍,故在此不做詳細的說明。

2.3深海環境下步進電機的防腐分析

步進電機的零部件基本上都是金屬,而金屬材料在深海中的腐蝕因素有很多,包括化學因素(溶解氧含量、溫度、含鹽度等)；物理因素(壓力、流速)；生物因素、區域因素等[8]。若直接將市場上已有的步進電機至于深海中,必然會面臨一系列的腐蝕問題。

有研究表明,深海環境下金屬腐蝕速率順序為:低碳鋼腐蝕速率>銅鎳合金腐蝕速率>黃銅腐蝕速率>銅腐蝕速率>不銹鋼腐蝕速率[9]。316L奧氏體不銹鋼不僅耐點蝕、耐高溫、抗蠕變,還具有不導磁的特性,可用于制備步進電機的前后端軸承、不導磁轉軸以及不導磁前、后端蓋。北京科技大學對316L鋼鈍化膜光電子能譜進行研究發現,不銹鋼鈍化是表面層由于某種原因溶解與水分子的吸附,在氧化劑的催化作用下,形成氧化物與氫氧化物,并與組成不銹鋼的Cr、Ni、Mo元素發生轉化反應,最終形成穩定的相膜,阻止膜的破壞與腐蝕的發生。其部分化學反應方程式[10]為:

FeOOH+Cr+H2O=CrOOH+Fe·H2O

2 FeOOH=Fe2O3+H2O

2 CrOOH=Cr2O3+H2O

MO+3FeO+3H2O =MOO3+3Fe·H2O

Ni+FeO+2H2O=NIO+ Fe·H2O

為了解深海壓力作用對316L不銹鋼腐蝕行為產生的影響,通過隨機分析理論研究靜水壓力對316L不銹鋼點蝕擊破電位的影響發現,9.06MPa(80atm)壓力下點蝕擊破電位提高,鈍化區寬度擴大,鈍化膜溶解電阻增大。此結果表明壓力作用使316L不銹鋼的耐腐蝕性能提高。對316L不銹鋼在不同靜水壓力p作用時的電化學阻抗譜[11]進行測試,擬合得到0.1MPa(1atm)和9.06MPa壓力下316L不銹鋼的電荷轉移電阻Rct和鈍化膜電阻Rf見表1。分析表1中的數據,在壓力由0.1MPa增加到9.06MPa時,電荷在相界面轉移過程的電阻值略有減小,而鈍化膜的電阻值增大了一個數量級。

深海環境中的靜水壓力升高時,316L不銹鋼的耐腐蝕性能較常壓下有所提高。結合表1中的數據,316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼,材料組織及成分的不同必定會對腐蝕的電化學反應過程產生影響,這種影響使得高壓下鈍化膜性能提高,從而使得316L不銹鋼的耐腐蝕性能提高。

表1　不同壓力下的電荷轉移電阻和鈍化膜電阻[12]

因此，中短期時間內316L不銹鋼在深海中的并不會出現嚴重的腐蝕現象,步進機的轉軸仍然可以控制釋放機構執行脫鉤操作。

而轉子、定子所用的軟磁材料硅鋼片以及兩端轉子中間的永磁體釹鐵硼,極容易在深海環境發生腐蝕,必須對進行防腐處理。目前在實際應用中最有效的手段是鍍層防護法,可在磁體表面鍍上具有優異耐腐蝕性能且性價比良好的Zn-Ni合金鍍層[13]。然而深海環境還有很多未知性,除了上文所討論的深海壓力對于金屬材料腐蝕行為的影響、防腐涂料的選擇等外,還有很多需要考慮的因素[14],在之后的實驗中,將對這些因素進行更深入的研究。

2.4深海環境下步進電機的絕緣分析

雖然本文擬將步進電機無密封直接至于海水當中,但是對于電機漆包線、水密電纜與步進電機引出線的分線結等部件仍然要做好絕緣處理以防止出現漏電情況。對于漆包線,可在其表面涂抹絕緣性能好的絕緣漆；對于分線結,可用3MScotchcast2131硫化膠進行處理。若步進電機在深海中出現漏電,可分為兩種情況:步進電機繞組漆包線表面破損導致漏電,或步進電機引出線與水密電纜分線結處破損導致漏電。

首先討論步進電機漆包線破損導致漏電的情況。圖3圖4分別為二相四線步進電機內部線路結構圖和繞組電流回路圖。在步進電機的實際驅動電路——步進驅動器中,K1—K4 4只開關為MOSFET管,當給步進驅動器輸入脈沖信號后,脈沖信號使得4只開關兩兩循環關斷(任意時刻總是兩只開關閉合),首先開關K2和K3閉合,繞級電流從A+流向A-；接著開關K2和K4閉合,繞級電流從B+流向B-；緊接著開關K1和K3閉合,繞級電流從A-流向A+；然后開關K2和K3閉合,繞級電流從B-流向B+；以此循環,使得步進電機連續運轉。

圖3　二相四線步進電機內部線路結構

圖4　二相四線步進電機繞組電路回路圖

當二相混合式步進電機某一相漆包線破損時,由于海水的高電導率,相當于在已有線圈上并聯了一個阻值不大的電阻(阻值大約為2Ω),且并聯的節點與漆包線破損位置有關,如圖5所示。由于所并聯導線的電阻(大約為0.02Ω)遠小于海水的電阻,所以電機通電以后,大部分電流仍然是從漆包線中流過。而本課題所使用的步進電機在海底正常情況下都是不通電的,只在甲板上發出了釋放指令之后,電機才開始通電運轉,使得重物釋放。目前擬將電機運轉時間控制在10s之內,即使在通電過程中漆包線部分與海水發生電解反應,這個過程也是很短暫的。因此即使漆包線出現小部分破損,在理論上并不會影響步進電機正常工作。

圖5　步進電機漆包線破損

當步進電機引出線與水密電纜接頭處破損導致漏電時,相當于在接頭處并聯了一個電阻,如圖6所示。其通電情況與漆包線破損類似,在總體上也不會影響步進電動機正常工作。

圖6　步進電機引出線與水密電纜接頭處破損

同時,經過鹽水槽實驗,無密封電機在水中浸泡1個月之后仍可正常工作。也就是說,只要步進電機引出線與分線結處沒有發生斷路,電路就可以驅動電機正常工作。

等到設備出水之后,如果發生了漆包線破損或是接頭處破損,只需更換步進電動機或者更換步進電機引出線與水密電纜的分線結。相比購買國外聲學釋放器,更換步進電機或者分線結的成本是非常低的。

3　結論

基于無密封步進電機的聲學釋放器在很大程度上解決了傳統聲學釋放器存在的體積大、重量大、成本高等問題,并且有效地避開了電機旋轉式聲學釋放器動密封困難的問題。選用步進電機作為聲學釋放器的控制電機,能夠準確地定位和調速,滿足了聲學釋放器機械釋放機構對電機精度的要求。

深海條件下無密封步進電機面臨了腐蝕、漏電、高壓等問題。面對海水的高腐蝕性,可以通過選取316L奧氏體不銹鋼制備步進電機的外殼及出力軸等,對于轉子及定子所用的磁性材料,可在其表面鍍上Zn-Ni合金鍍層來進行防腐；當步進電機漆包線或者引出線與水密電纜分線結處破損導致漏電時,僅相當于在導線上并聯了一個電阻,由于電機工作時間極短,因此理論上并不會影響電機工作；在深海高壓環境中,只需保證步進電機的零部件材料內部沒有氣泡,就不會出現承壓困難的問題。因此,在深海條件下,基于無密封電動機的聲學釋放器在中短期時間內可正常工作。

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Researchonfeasibilityofno-sealingelectromotorusedindeepseaacousticreleasetransponder

XuXing,WangMeng,PiaoRenjun,ZhangJing,ZhangHangyue

(SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Thisarticleanalyzestheweaknessesofthetraditionaldeepseaacousticreleasetransponder,suchasgreatbulk,largeweightsandhighcostandtheproblemsofmotivesealingexistedinmotorrotaryacousticreleasetransponder,andalsoputsforwardawholeschemedesignofthedeepseaacousticreleasetransponderbasedonno-sealingelectromotor,whichistoputthecontrollingelectromotoroutsidethepressuredsealedcabintoavoidtheproblemofmotivesealing.Anditcandecreasethesizeandweightoftheacousticreleasetransponder,andthenlowerthecost.What’smore,itdecidedtousethetwophasehybridsteppingmotorasthecontrollingelectromotoroftheacousticreleasetransponder,anddiscussedhowtobearpressure,insulateandavoidcorruptwhenno-sealingelectromotorisworkingindeepseaconsideringthestructure,textureandoperatingprincipleofthesteppingmotor.Throughtheoryanalysisandsalinitybathexperimentresults,theacousticreleasetransponderwithno-sealingelectromotorworkingindeepseawithinmediumandshorttermisfeasible.

no-sealingelectromotor;deepseacondition;acousticreleasetransponder;corrosionresistance;insulation;overpressureresistance

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.026

2016-01-03

北京市2015年大學生創新創業項目B類(2015BXZ023);國家863計劃項目課題(2012AA09A201);國家自然科學基金項目(41504138)；中國地質調查局項目(201100307)

徐行(1997—)，女，安徽安慶，本科生，測控技術與儀器專業

E-mail：cugbxuxing@163.com

王猛(1984—)，男，河南許昌，博士，講師，主要從事測控技術與儀器教學和地球物理儀器研制工作.

E-mail：wangmeng@cugb.edu.cn

P733.2-33

A

1002-4956(2016)7-0109-05