浅谈干式高压潜水电机设计

陈维，邓陶然

（ 1.无锡中基电机制造有限公司，江苏 无锡 214046；2.衡阳市大地泵业有限责任公司，湖南 衡阳 421000 ）

浅谈干式高压潜水电机设计

陈维1，邓陶然2

（ 1.无锡中基电机制造有限公司，江苏 无锡 214046；2.衡阳市大地泵业有限责任公司，湖南 衡阳 421000 ）

从电磁、密封结构、通风结构和监控等方面阐述干式高压潜水电机的设计要点，根据水泵实际运行工况和使用环境特殊性，设计符合水泵实际运行要求的电机产品。

高压；潜水电机；通风结构；密封结构

0 引言

潜水电泵是一种以电动机为原动机应用在污水处理、水利工程等重要场合的离心式水泵。随着市场对潜水电泵流量及扬程不断增大的需求，与之配套的电机功率也逐渐增大，如仍采用低压电机驱动，与之对应的大电流、大电缆等也随之而来，而电缆本身的重量对其布线和固定带来较大不便，电缆增大的同时也对引出电缆的密封增添了困难。如可找到一种在水下5 m正常运行的高电压电机将可解决以上问题，高压潜水电机由此应运而生。

1 电磁设计

高压潜水电机的电磁设计与普通紧凑型高压电机设计相类似，由于电机运行在水中，其散热性能好于紧凑型高压电机，故高压潜水电机可以取较高的电磁负荷，但应根据电泵的运行特点对电机的启动转矩和最大转矩进行校核。

1.1 启动校核

小型水泵用电机设计经常忽略了电机启动性能的校核，而大型水泵尤其是潜水泵，因其叶轮直径较大从而惯量也较大，电机的启动校核尤为重要。

1.1.1电机启动时间计算

电机转速从0加速到额定转速的时间称为电机启动时间，计算如下：

1.1.2电机各部分启动温升

定子绕组在启动过程中的温升计算公式如下：

转子导条、端环启动温升计算如下：

1.1.3电机主要部件温升限值

对于F级绝缘B级考核的电机各主要部件转子导条、定子绕组、端环的温升限值K规定如下：

转子导条：350℃（冷态）300℃（热态）定子绕组：155℃

端环：210℃（2、4极）80℃（6极及以上）---冷态

190℃（2、4极）50℃（6极及以上）---热态

加速时的温升限值（一次热态或者两次冷态下启动）

转子导条：250℃

定子绕组：85℃

端环：120℃（2、4极）50℃（6极及以上）

1.2 最大转矩倍数校核

水泵类负载一般认为其负载波动不大，对最大转矩倍数并不做太大要求，但根据现场和返厂维修的电泵进行分析后发现杂物进入蜗壳卡死叶轮，导致烧机的现象较多，杂物中以小树枝、烂布条等居多。如类似杂物进入蜗壳后可被叶轮随即打断或切断，将有效提高电泵的运行可靠性。因此，需在叶轮对杂物进行处理的瞬间，要求电泵驱动电机提供较大的转矩。经过大量实验验证（切割泵），当电机最大转矩倍数提高到2.0以上可减少60%因此类问题而导致的烧机。建议高压潜水电泵的最大转矩倍数保证值应大于2.0。

2 结构设计

2.1 密封

潜水高压电机运行在水中，结构设计必须做到严格密封，密封设计的可靠性将影响整个电泵的性能。

2.1.1引出电缆、控制电缆密封

电缆从顶盖或接线盒盖引出，为保证其密封性，高压潜水电泵密封结构应如图1所示。

2.1.2主要结构件止口密封

各主要结构件之间采用O型密封圈密封，密封示意见图2，结构设计应注意避免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挤入间隙而造成，因此配合间隙（沟槽）的设计直接影响O型密封圈的密封效果。O型圈压缩量计算公式如下：

压缩量值为10%～15%。根据压缩量结合GB/T 3452.3设计O型圈沟槽尺寸与公差。

2.1.3传动端密封结构

传动端采用三道机械密封，密封结构如图3所示。其中，各止口之间通过O型密封圈进行密封，油室与油室之间通过一个机械密封座和机械密封隔开。此密封结构增加电机可靠性，减少了因机械密封失效而引起的故障发生。

2.2 轴承设计

潜水电机轴与泵体共用一根轴，电机轴承承担电机转子自重外还需承担泵体重量和水泵工作时的轴向力，轴承的选择是潜水高压电机不同于普通高压电机的区别之一。图4为潜水高压电机轴受力示意图，轴的受力反馈至轴承，轴的受力可以等效为轴承受力。

在额度运行时，电机转速为恒定，轴承寿命计算公式如下：

如图4所示，轴既受到向下的轴向力（自身重量+泵体及向下推力）又受到径向力（磁拉力），当量动负荷计算如下：

2.3 电机风路设计

如图5电机整体结构及风路图所示，电机内部采用轴向通风，风路系统的动力由套在轴上的离心风扇产生。根据电机换热量，求出电机内部所需要的风量风压，通过风量风压并结合电机转速设计离心风扇。

电机内风路为：转子外径——离心风扇——内风道——转子外径。

热交换过程为：定转子所产生的热量传递到内部冷空气，空气中的热量传递到内风道，内风道热量传递到电机外部（液体），因此，整个水泵在运行过程中，水位不能低于电机顶部。

3 监控设计

水下环境较为复杂，电泵或可因水下环境的变化出现各种“症状”，如叶轮卡死、机械密封失效、轴承油脂污染等。为了防止以上现象扩散造成更大损失，可对电机各部分进行监控。

图6所示电机内部设有定子绕组温度及轴承温度测量元件、机械密封监控探头，电机外部控制电路设有缺相、欠压、过压、过电流等监控设备。

其中，电泵传动端设有3道防水探头，引出电缆端设有1道防水探头，当传动端第1道机械密封失效后，1号探头发出报检警报信号，电泵正常运行；当第2道机械密封失效后，2号探头发出维修警报信号，电泵正常运行；当第3到或者引出电缆端密封失效后，3号或4号探头发出维修警报信号，电泵停机。

4 结语

基于以上技术，成功研制的高压潜水电机传动端机械密封和预报警措施提高了电泵的运行可靠性，起到了应有效果，得到用户的一致肯定。

[1]邢建宾，邢栋.矿用潜水电泵高压电机设计[J].防爆电机，2015(2).

[2]白旭华.潜水电机的结构与设计特点[J].沈阳工业大学学报，2005(3).

[3]JB/T 10869-2008中大型高、低电压潜水泵电动机（机座号315-630）[S].北京：机械工业出版社，2008.

[4]GB/T 3452.3-2005 液压气动用O形橡胶密封圈第一部分：尺寸系列及公差[S].北京：中国标准出版社，2005.

[5]傅丰礼.异步电动机启动温升的工程计算方法[J].电机技术，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

陈维（1985—），男，大学本科，主要从事大中型电机电磁、结构设计与开发工作。