HQ高压深潜电动机研制

胡鹏飞

(上海上电电机股份有限公司，上海 201800)

0 引言

随着我国海洋经济的不断发展，海洋监测、勘探与开发能力不断提高，对于深海电动机的需求也越来越多。目前国内仅少数几家海洋科研机构按自己的需要自行试制部分适用于高环境压力下的自适应型高压大功率水下电动机。为此我公司联合相关研究单位研究设计了深海压力自适应充油电动机。

所谓“压力自适应”，就是指该电动机在水下工作时，电动机内腔的压力可以与外界的水压相平衡。如果该电动机的工作水深为6 000 m，则其内外压均等于60 MPa。深海压力自适应充油电动机可以代替复杂的水下适应型液压系统，直接驱动作业机械的各个执行部件动作，可以简化水下系统的机构与结构，成倍地降低水下系统的重量，从而使整个水下系统的性能及可靠性均得以大幅度提高。

1 深潜电动机电磁设计、总体结构

1.1 深潜电动机的电磁设计

深潜电动机的定转子结构与常规鼠笼型三相异步电动机类似，因此电磁设计方法完全一样。然而，由于它拖动的负载是水泵，因此，启动转矩要求不高，但由于该型电动机供电电缆较长，达6 000 m甚至10 000 m，启动时的线路压降需要核算。该型电动机腔体内有油，冷却效果良好，设计时可选择较高的电磁负荷和热负荷，从而提高电动机的功率密度，降低电动机重量。

按额定功率128 kW，额定电压3 000 V，额定频率60 Hz计算，主要数据如下：

型号 HQ128-4

额定功率 128 kW

额定电压 3 000 V

额定频率 60 Hz

额定电流 30.5 A

额定转速 1 776 r/min

相数 3

极数 4

绝缘等级 H

防护等级 IP68

总损耗 8 332 W

功率因数 0.85

效率 93.8%

定子电阻/75 ℃ 1.296 Ω/相

热负荷/AJ 2 906

温升 ≤80 K

堵转转矩倍数 1.78

最大转矩倍数 1.9

堵转电流倍数 4.96

1.2 电动机的结构

电动机由定子、转子、端盖、轴承、密封件等零部件组成，电动机总装结构见图1。

图1 HQ深潜电动机总装图

电动机腔体内充油，端盖处设置有内外压力补偿孔，保证电动机机座受到的压差不至于过大，从而保证电动机运行的稳定性。电动机底座支架具有足够强度和螺栓把合空间，能够承受2 g的加速度。在承受2 g加速度的情况下，保证电动机安装稳固。电动机轴直接与液压泵采用花键连接，电动机端面与泵端面对接，连接处配合面采用O形圈密封。主泵连接规格K3VL 200/B-1NRKM-P0/1-H1，法兰连接规格：SAE E-4孔，平键连接；辅泵连接规格K3VL80/B-1NLKM-P0，法兰连接规格：SAE C-2孔，平键连接。内部电缆通过HVTP01高压动力贯穿件引出。

1.3 电动机的设计特点与材料选择

1.3.1 定子

电动机定子铁心硅钢片采用低损耗硅钢片50W350，可有效降低定子铁耗，定子铁心采用压圈+端板+扣片压紧结构。定子铜线采用聚酰亚胺漆包圆铜线，漆膜厚度为3级特厚漆膜达0.1 mm。

1.3.2 转子

电动机转子采用浇铝转子，转子铁心直接热套在转轴上。转子动平衡采用去重法，尽可能的减轻整个电动机的重量。电动机的转轴采用40Cr，具有耐腐蚀性能，同时要求布氏硬度为HB280～320。

1.3.3 密封

端盖与机座采用静密封，出线盒采用水密接插件，电缆接头硫化处理。

密封结构示意图见图2。

我们采取的止口密封技术中，选用的O形密封圈材料为耐氟橡胶，具有比较好的耐老化、耐腐性的特性。为了保证更好的密封效果，O形密封圈应有一定的压缩量，其压缩量E应该满足下式要求：

图2 HQ深潜电动机密封示意图

式中：do为O形密封圈外径；do1为压缩后的O形密封圈直径。大量生产实践证明，E值一般应在6%～10%之间。

放置O形圈的矩形沟槽尺寸可按如下公式进行计算。

Sq=0.158do+0.219

Eo=0.158do+0.219/do

H=0.842do-0.219(+0.05do)

B=Kb(1+Eo1.5)do

R=(0.10～0.12)do

式中：Sq为压缩量；Eo为压缩率；H为槽深；Kb为压缩系数，可取1.2；B为沟槽宽；R为槽底圆角半径。

1.3.4 电动机装配

鉴于深潜电动机的特点，电动机将一直浸泡在海水里，因此对耐腐蚀要求很高，而且要求电动机尽可能轻。因此，深潜电动机机壳、上端盖、下端盖、上内盖、轴承盖等零部件均用采用6061-T6铝合金，加工完成后表面阳极氧化发黑处理，要求不得有缩孔、气孔等，确保电动机在海水中长期使用表面无腐蚀现象。机座抗拉强度≥310 MPa，屈服强度≥275 MPa。

此外，所有外露紧固件均采用不锈钢件，为了更好的密封，紧固件的数量也比普通标准电动机多。电动机装配完成后，必须做气密性实验，实验压力为0.2 MPa，要求3 min无泄漏。

2 深潜电动机绝缘结构

该电动机的额定电压为3 000 V，且电动机腔体内充满油介质，所以整个电动机的绝缘结构是比较复杂也是核心关键部分。为了减轻电动机重量，该电动机采用散线绕组。具体绝缘结构见图3。

图3 HQ深潜电动机绝缘结构图

2.1 槽绝缘和相间绝缘

电机槽绝缘采用H级复合绝缘材料6650或NHN复合箔6550，绝缘厚度0.9 mm。

2.2 连接处绝缘

电机极间连接线及引出线连接处半叠包0.07 mm×20 mm亚胺薄膜粘带一层，外面再包少胶粉云母带5442-1B两层，外部再半叠包0.1 mm×20 mm无碱玻璃丝带一层。

2.3 槽楔

电机槽楔采用二苯醚玻璃布板3255；槽楔厚度为2 mm。槽楔长度为伸出铁心单边长10 mm。在充油环境下，也可采用3240环氧层压板。

2.4 引出线

电机引出线采用JFEM-6KV氯醚护套引接线；连接处半叠包两层自粘性硅橡胶带6351，第一层搭接长度不小于80 mm，第二层包绕长度比前一层每端长出20 mm。最外层半叠包一层0.1 mm×20 mm无碱玻璃丝带并刷环氧自干清漆。

2.5 直线部分

线圈的直线部分对地绝缘用6650复合箔垫三层，线圈首匝半叠包聚酰亚胺薄膜6050一层，其余线圈再根据绕线顺序均分成三组，以上、中、下三层的顺序先后嵌入槽内。层间垫入聚酰亚胺薄膜6050一层作为匝间绝缘的补强。线圈嵌入完成后，在槽口垫NHN复合箔6650三层，再插入槽楔将绝缘压实作为。

2.6 端部部分

线圈的端部部分匝间分别包少胶粉云母带两层，合起来再包少胶粉云母带两层，最后半叠包涤纶丝带一层。包扎完成后，端部利用扎带至少扎4处，保证不会松散。定子铁心采用真空压力浸漆浸T-H1169无溶剂漆一次，再沉浸两次。

经过上述措施后，绕组的半成品试验及对地耐压试验均一次通过。从而验证了该绝缘措施能满足该电压等级的要求。

3 深潜电动机冷却及接口要求

深潜电动机腔体内部充油，外壳直接浸在海水，冷却条件良好。电动机接口由底座支架，具有足够强度和螺栓把合空间，在承受2 g加速度情况下，可保证电动机安装稳固。液压泵与电动机连接：液压泵与电动机轴采用花键连接，泵与电动机端面对接，连接处配合面采用O形圈密封。

4 深潜电动机试验及现实意义

深潜电动机对电动机的功率密度、体积、效率、控制、结构、材料、工艺水平等各方面均有了更新更高的要求。深潜电动机的开发符合国家“十三五”产业规划方向，符合国家洋经济的不断发展工作的部署和要求。

2016年12月，我公司完成电机总装并进行了试验，试验所得的数据与技术要求基本相符，该电机试验结果见表1。

表1 HQ深潜电动机试验结果

续表1 HQ深潜电动机试验结果

2017年3月，我公司生产制造的深潜电动机应用于“海龙Ⅲ”潜水器，在西太平洋圆满完成400 m浅水试验。海龙Ⅲ属于中国“蛟龙探海”工程重点装备，最大作业水深6 000 m，具备海底自主巡线能力和重型设备作业能力。通过实际使用，电动机完全满足技术要求，该项目为我国的海洋工程建设贡献了我们的力量。