高溫高壓高濕環境用電動機結構設計

尹 默， 柴全微， 高云鵬， 尹天舒， 潘 衛

(1. 臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473008；2. 三一重型能源裝備有限公司，北京 102200； 3. 河南工業大學，河南 鄭州 450001)

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高溫高壓高濕環境用電動機結構設計

尹 默1， 柴全微1， 高云鵬2， 尹天舒3， 潘 衛1

(1. 臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473008；2. 三一重型能源裝備有限公司，北京 102200； 3. 河南工業大學，河南 鄭州 450001)

為了研制一種耐高溫(220℃)、耐水蒸氣壓2MPa工況條件4h后，能安全可靠運行的特種電動機，引用特殊軸貫通密封技術、配合面密封技術、接線盒密封技術和繞組絕緣密封技術，并選用耐高溫軸承。通過整機適應性試驗及高溫、高壓、高濕環境試驗，驗證了整機結構設計的可行性及可靠性。

軸貫通密封； 配合面密封； 接線盒密封； 絕緣密封技術

0 引 言

一種高溫(220℃)、2MPa的水蒸氣壓4h后安全運行的特種電動機的研制，徹底解決了煤礦井下作業、深水水下動力設備事故后逃生等一系列問題。該電機可被推廣應用在艦用設備、井下安全等急救領域，對事故后挽救生命、減小災害可發揮不可估量的作用。此項目的研制不僅可提高電動機對特殊應用環境的適應性，滿足特種工業發展需要，而且可填補國內耐高溫高壓高濕電動機的空白，為特種電動機的發展貢獻力量。該項目考慮了使用環境可能產生的多種極端情況，采取了多方面應對措施，大幅度提高了設備對復雜環境的適應能力及運行的可靠性。

1 結構設計

為了實現耐高溫性能需要考慮選用耐高溫材料，為了實現耐2MPa水蒸氣壓，需對電動機軸貫通密封、接線盒密封、繞組絕緣密封等進行特殊設計。具體主要包括以下五個方面。

1.1 耐高溫高壓高濕軸貫通密封結構

通過選用耐溫高、耐壓強、密封性能好且摩擦因數小的兩個機械密封件，并排放置在電機端蓋與電機轉軸之間，結合擋板環形槽中的軸面油封，形成三道密封，通過外側擋板軸向壓緊，實現可靠密封[1]。軸貫通部分有三道密封： 一道軸面密封(氟橡膠材料)+兩道增強四氟密封圈,結構示意圖如圖1所示。其中增強四氟密封件[2- 4](用于旋轉密封)耐溫為-200～260℃,摩擦因數較小，為0.11，無毒、耐磨、耐壓、耐輻照。經試驗對比，該密封件比傳統骨架油封承受高溫高壓氣體壓力的能力強得多。通過設置這三道密封件，使得電機軸貫通處實現了高溫、高壓工況下無滲漏，密封效果良好，保證了電機的安全可靠運行。

圖1 軸貫通處密封件安裝示意圖

1.2 耐高溫高壓高濕配合面結構

所有配合面采用圓筒止口配合，加O形密封圈，O形密封圈直徑不小于3.55mm，端蓋與機座配合處密封結構示意圖如圖2所示。經過多次高水壓對比試驗，最終將密封圈壓縮量由常規的25%提高到38%，能夠有效承受外界高壓。

圖2 端蓋與機座止口配合處密封結構示意圖

1.3 耐高溫高壓高濕接線盒結構

該接線盒密封結構分為三個部分[5]： 第一部分，在盒蓋與盒座之間增加高強度密封圈；第二部分，在外接電纜上采用多層O形圈和墊片結合外加引入密封螺紋套，隨螺紋的擰入，電纜被擰緊；第三部分，單根電纜進入接線盒內，采用第二部分密封螺紋套形式。結構示意圖如圖3所示。

圖3 接線盒三維爆炸圖

首次采用將電機引接線引入到接線盒內，外部電源電纜也引入到接線盒內。安裝時，僅旋轉螺套即可將兩接線螺栓連接在一起，避免損傷電機引接線和外接電纜，如圖4所示。

圖4 引接線和外接電纜連接示意圖

為增加可靠性，在螺栓與螺套連接好后，采用耐高溫硅橡膠自粘帶半疊包包裹3層，搭接長度不小于8mm。硅橡膠自粘帶拉伸長度約增加60%，包好后用玻璃漆管墊包，并用耐高溫層壓板固定。保證接線盒內的導電部位無任何裸漏，同時具有良好的密封性及耐高溫高壓高濕性能，提高了高溫高壓高濕環境下電機運行的電氣安全性。

1.4 耐高溫高壓高濕定子繞組絕緣處理

繞組是電機的核心部分，一旦進水，繞組絕緣會喪失，電機將無法正常運行。對繞組加以防護，且達到有效隔離220℃水蒸氣、耐受2MPa壓力是至關重要的設計。通過絕緣材料的選擇滿足耐高溫要求，通過真空壓力浸漆(Vacuum Pressure Impregnation, VPI)和滴浸澆封兩種工藝結合實現密封耐受2MPa水蒸氣壓，從而滿足高溫高壓環境要求[6]。

1.4.1 絕緣材料選擇

為了滿足耐高溫要求，所有絕緣材料均選擇耐220℃高溫的材料。電磁線選用水壓特種電動機用復合電磁線聚酯亞胺漆包銅圓線[7-8]Q(ZY/XY)-3/220。最小熱沖擊溫度應為240℃；軟化擊穿在400℃下2min內應不擊穿；高溫試驗溫度為220℃，擊穿電壓滿足GB6109.1第13條規定；漆膜連續性和耐水性每軸電磁線的缺陷數為0(將整軸電磁線放在干凈水中,兩端伸出水面,用1000V兆歐表測量時,絕緣電阻大于10MΩ不視為缺陷；用500V兆歐表測量時,絕緣電阻大于50MΩ不視為缺陷)。耐熱性符合GB6109.6第5.7條規定,20000h外推壽命的相應溫度應不低于220℃，當240℃時的測試壽命應不少于5000h；導體尺寸、絕緣厚度、漆包線最大外徑、電阻、伸長率、回彈性、柔韌性和附著性、耐溶劑、耐刮性等符合GB6109.1要求。

引接線電纜采用硅橡膠引接線JHXG-500，滿足220℃、2MPa水蒸氣環境持續4h后性能測試指標達常規測試指標的80%，具體耐電壓試驗、彎曲試驗、熱效應試驗、耐溶劑、耐浸漬漆試驗等符合JB/T6213.4—2006《電動機繞組引接軟電纜和軟線 第1部分： 一般規定》的規定。

槽楔采用雙馬來酰亞胺層壓板9334。雙馬來酰亞胺由于含有苯環、酰亞胺雜環及交聯密度較高，而使其固化物具有優良的耐熱性，使用溫度范圍為177～232℃。主絕緣采用聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復合材料6650。6650由兩層聚芳酰胺纖維紙中間夾聚酰亞胺薄膜，用適合的粘結劑復合而成，具有優異的機械、介電和耐熱性能，長期耐熱指數大于180℃。

絕緣漆采用瓦克有機硅浸漬漆sILREs@H62C。它是一種沒有使用有機成分改性的甲基苯基乙烯基聚硅氧烷[9-13]，耐熱指數300～800℃、電氣強度27V/mm。

1.4.2 繞組密封設計

繞組采用VPI工藝和滴浸澆封工藝，使定子槽與線棒間間隙得到充分填充，繞組端部與外界有效隔離，有繞組定子鐵心成為一個完整密閉整體，如圖5所示。

滴浸處理： 繞組完成下接線并與電纜線連接完好后進行滴浸處理。工件電纜線與發電機組連接，電流8～14A，工件表面溫度80～100℃，滴浸時間約為2h。繞組表面形成一層均勻的漆膜，厚度約為2mm，然后進行真空壓力浸漆浸漬。

圖5 繞組密封處理后

真空壓力浸漬瓦克絕緣漆，浸漆工藝： 抽真空(300Pa)→保真空(180min)→輸漆→破真空(60min)→加壓(0.5MPa)→保壓(420min)→烘干(150℃、14h)。

1.4.3 電纜線與電磁線連接處密封處理

設計8套不同的電纜線與電磁線連接處密封試驗方案，進行耐2MPa水壓力試驗。試驗如圖6所示。其中一個試樣在2MPa壓力的水中浸泡4h后絕緣電阻仍為無窮大。于是有電纜線與電磁線連接處密封方案如下： 先在定子繞組引出線上預套一個絕緣套管；定子繞組引出線與引接電纜對焊焊接連接；在焊接部位纏繞兩層粉云母帶，然后移動橡膠套管與引接電纜連接，示意圖見圖7。

圖6 電纜線與電磁線連接處密封耐2MPa水壓力試驗

1.5 軸承的選用

根據電動機的工作環境及冷卻方式，估算正常軸承工作時軸承內外圈溫差為20～40K，電動機高速旋轉及高溫下運行時軸承游隙將減少，振動將加劇，因此軸承選用C3大游隙耐高溫高壓低振動專用密封軸承： TD63XX-2Z/C4/Z4/P5高精度低振動密封型軸承。該軸承保持架采用沖壓鋼,有重量輕、體積小、能夠容納和保持更多潤滑脂的特點，對封閉軸承來說，該項特點尤其重要；振動等級采用Z4低振動型,比常規電動機使用的Z2振動級別提高了兩級,精度等級P5,比常規P0提高了兩個等級。潤滑脂采用德馳高低溫潤滑脂，適合溫度范圍： -50～220℃，優異的高低溫性能，保證潤滑部件寬溫度范圍內正常運轉；良好的氧化安定性，保證潤滑部位高溫長期正常工作；良好的機械安定性和膠體安定性，保證本產品正常粘附在潤滑部位而不會流失，優異的極壓抗磨性能，保證軸承在重負荷下的正常潤滑。

圖7 電纜線與電磁線連接處密封示意圖

2 項目試驗情況

為了驗證耐高溫高壓電動機結構設計的合理性及可靠性，對整機進行一系列試驗。

2.1 整機環境適應性試驗

按照結構設計方案制作多臺電機進行環境適應性試驗[14]，具體包括： 傾斜搖擺試驗、振動試驗、沖擊試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗、交變濕熱試驗，試驗條件、試驗結果及參考標準如表1所示，其中傾斜搖擺試驗及振動試驗如圖8所示。

表1 整機環境適應性試驗

圖8 環境適應性試驗

2.2 耐高溫高壓高濕環境試驗

耐高溫高壓高濕環境試驗在中國船舶重工集團公司第七一九研究所按試驗大綱進行，試驗罐升溫220K，飽和水蒸氣壓至2MPa后維持此環境條件4h，整個過程對溫度、壓力、電機絕緣電阻進行監控。監控結果記錄如圖9所示。4h后泄壓降溫，電動機通電后可正常運轉，拆開接線盒檢查密封情況，接線盒干燥未進水，如圖10所示。

3 結 語

通過整機性能試驗，可得高溫高壓高濕環境用電動機軸貫通密封設計、配合面密封設計、接線盒密封設計、繞組密封設計合理，可保證電動機在220℃高溫、2MPa水蒸氣壓工況條件4h后，安全可靠運行。此類電動機的研制成功，徹底解決了煤礦井下作業、深水水下動力設備事故后逃生等一系列問題，意義重大，可在相關領域廣泛推廣。

圖9 絕緣電阻隨溫度和壓力的變化曲線

圖10 高溫高壓后密封及性能驗證

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Structure Design of Electric Motor for High Temperature High Pressure High Humidity Environment

YINMo1，CHAIQuanwei1，GAOYunpeng2，YINTianshu3，PANWei1

(1. Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., Nanyang 473008, China；2. Sang Heavy Energy Equipment Co., Ltd., Beijing 102200, China；3. Henan University of Technology， Zhengzhou 450001, China)

In order to develop a kind of special motor which could be safe and reliable operation after high temperature(220℃)、water vapor pressure 2MPa conditions 4 hour，the structure design was introduced to the high temperature and sealing technology which were shaft sealing technology, processing surface sealing technology, junction box sealing technology, winding sealing technology and high temperature bearing. Finally, experiments of Complete machine adaptability test and high temperature, high pressure environment and high humidity test were conducted to verify. It verified the feasibility and reliability of the whole structure design.

shaft sealing technology; processing surface sealing technology; junction box sealing technology; winding sealing technology

尹 默(1968—)，男 ，高級工程師，研究方向為電機絕緣理論及涂裝工藝。

柴全微(1986—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向為電機絕緣結構及涂裝工藝。

TM 302

A

1673-6540(2016)10- 0067- 05

2016-03-28

高云鵬(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為電機電磁分析與計算。