淺談潛水電動機的型式及設計特點

黃家友，鮑曉華，莢小健

（1. 合肥三益江海泵業有限公司，合肥 231131；2. 合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

潛水電動機是一種用于水下驅動的動力源，常與潛水泵組裝成潛水電泵機組，用于提取地下水，供城市、農村的生活、生產用水，農田排灌，也可用于工礦企業給排水，污水污物處理和排洪等多種場合。由于具有性能優良、安全可靠、可節約基建投資等優點，受到了越來越廣泛的關注和應用。

1 潛水電動機的分類

潛水電動機按照其特性的不同可分為多種型式，本文主要從其內部結構入手，將潛水電動機分為以下四種基本的型式：

1.1 干式潛水電動機

干式潛水電動機內腔充滿空氣，軸伸端裝有機械密封裝置和橡膠油封，能阻止水分和潮氣進入內腔。有的干式電動機軸伸向下，電動機下部帶有一個氣室，當潛入水中時，形成一個氣墊結構或空氣密封結構，阻止水分進入電動機，使電動機得到雙重保護，從而提高了其可靠性。

1.2 充油式潛水電動機

電動機為充油密封結構，內腔充滿絕緣潤滑油，各止口配合部位均裝有耐油橡膠“O”型圈，軸伸端裝有機械密封裝置，既能防止外部水分和潮氣進入電動機內腔，又能阻止機內絕緣潤滑油外泄。有的充油式電動機下部有保壓裝置，能在電動機運行過程中始終保持其內腔油壓大于外部水壓。

1.3 充水式潛水電動機

充水式潛水電動機內腔充滿清水（一般為純凈軟水），軸伸端裝有機械密封裝置和橡膠油封，能防止外部污水或泥砂雜質進入電動機內腔。下部裝有橡膠囊，在電動機運行過程中自動平衡機內外水壓，防止機內外水通過油封裝置進行互換，從而減少外部雜質隨水進入電動機內腔的機會。

1.4 屏蔽式潛水電動機

電動機定子由非磁性不銹鋼制作的薄壁屏蔽套、端環和機殼組成的密封室嚴密封閉，內充固體填充物或絕緣油。轉子腔內充滿清水或防銹潤滑液，軸伸端裝有機械密封裝置，能防止轉子腔內液體漏出機外，并防止外部泥砂雜質進入機內。一般下部也帶有壓力平衡裝置，以維持機內外液體壓力的平衡。

2 潛水電動機設計特點

潛水電動機從原理上來說是一種特殊的三相異步電動機，但是由于使用環境的不同，使得它具有不同于傳統三相異步電動機的獨特的特點。本文主要以充水式潛水電動機為例，從結構設計和電磁設計兩方面簡要闡述其特點。

2.1 結構設計特點

充水式潛水電動機總體結構如圖1所示：

圖1 充水式潛水電動機總體結構圖

電動機的定子4、轉子5和軸承3均在水中工作，上、下部裝有上、下導軸承2和10，軸承采用自潤滑性能優良、抗咬合性良好的耐磨材料石墨或FB102等。軸下端裝有水潤滑止推軸承9，用于承受電泵運行時的泵轉子和電動機轉子自重，同時承受運行時由于水泵葉輪不平衡產生的軸向推力。為了限制水泵起動時轉軸向上竄動，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內腔充滿清水且容積較大，這些都加強了電動機的散熱效果。充水式潛水電動機一般在水下運行，當水質較差或水中含砂量較大時單純的機械密封往往不能滿足要求，這就需要增加甩砂圈1，它的作用相當于水泵副葉輪的作用，很大程度上阻止了泥砂和雜質進入機械密封。電纜出線采用如圖2所示的結構，通過平壓墊蓋1壓緊皮碗密封圈2，使之與電纜3緊密貼合，基本上杜絕了電動機內、外部的水通過電纜孔實現交換。有的充水式潛水電動機還有補水結構，防止由于接合面間的細微滲漏造成的電動機內部水量的減少。

圖2 電纜出線結構圖

2.2 電磁設計特點

首先，由于采用水潤滑滑動軸承，軸承與軸間存在初始間隙，定轉子間存在初始偏心，隨著電動機的運行，滑動軸承會逐漸磨損，軸承與軸間隙會逐漸增大，定轉子偏心增大，轉子受到的單邊磁拉力增大，轉軸撓度隨之相應增大。為了保證長期安全運行，這就要求設計時定轉子氣隙取值要比一般用途電動機要大，從而增大了磁化電流，導致充水式潛水電動機的功率因數相對較低。

其次，由于充水式潛水電動機內部充滿清水，轉子高速旋轉時所產生的水磨耗數值較大，使得總損耗增大，導致充水式潛水電動機整體效率偏低。潛水電機在運行中的損耗和一般異步電機基本相同，包括繞組銅（鋁）損耗、鐵損耗，機械損耗和雜質耗。對于潛水電機來說，繞組銅（鋁）損耗是定、轉子在基準工作溫度下額定運行時由電流產生的I2R損耗；鐵損耗一般與定、轉子沖片有關；雜質損耗一般為潛水電機輸入功率的0.005倍。這三種損耗對于充水式、充油式和干式潛水電機來說只要定、轉子繞組和定、轉子沖片相同基本上是不變的。機械損耗由軸承損耗、轉子在介質中旋轉時的摩擦損耗和為了防止機外液體和雜質進入機內而在軸伸端安裝的機械密封和骨架油封所產生的損耗三部分組成。轉子的介質摩擦損耗對于充水式、充油式和干式潛水電機來說分別為水摩耗、油摩耗和風摩耗，可由下式計算：

—轉子外圓直徑（m）；

L——轉子鐵心檔全長（m）；

n——轉子的轉速（r/min）；

v——轉子外圓的圓周速度（m/s）；

γ——水或油的重度（N/m3）；

K——與轉子運動狀態有關的系數。

由式（1）可知，只要轉子相同，轉子介質摩擦損耗只與潛水電機內部所充介質的重度有關。對于水、油和氣體來說，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機的轉子介質損耗比干式潛水電動機的轉子介質損耗大得多，往往可以相差幾百倍。由于充水式潛水電動機轉子介質損耗較大，使得充水潛水電機的機械損耗很大，總損耗相應也很大。在繞組和沖片條件相同的情況下，充水式潛水電動機的效率最低，一般情況下比干式潛水電機一般低 5～6個百分點。

再者，充水式潛水電機采用充水密封結構和水循環結構，定子繞組、鐵心、轉子等均直接浸在水中，由水直接冷卻。電動機機殼也是直接浸沒在外部水環境中的，機內熱量通過機殼和機殼上的散熱筋直接散發到水中，冷卻條件極好。有的充水潛水電機在電機內部還設計有水循環系統，使電機內部水形成流動的循環，更加增強了充水潛水電機的散熱能力。因此在設計充水式潛水電機時定、轉子電密值、熱負荷值和各部分磁密值一般都可以取的較大。

3 發展趨勢及面臨困難

近十幾年來，隨著我國礦山事業的發展，潛水電泵用量逐年擴大，為潛水電動機的發展開辟了廣闊的前景。但隨著礦山開采向深度發展，地下水位不斷下降，導致用戶對潛水電動機的單機功率要求越來越高，這就對潛水電動機的結構和材質提出了更高的要求。加之我國地下水資源復雜，有的地區地下水溫度比較高，有的地區地下水酸堿度較大，更迫切需要我們采用新材料、新工藝，優化設計多種型式的潛水電機。目前我國潛水電機的設計、制造水平已經有了很大的提高，如用冷軋沖片替代傳統的熱軋沖片，采用FB102等性能優良的水潤滑摩擦材料，研制高溫耐水線等，但在產品的節能節材、更新換代方面還與國際先進水平存在很大的距離，這些都是擺在我們面前的緊迫任務。