深水伺服應(yīng)用油浸式電機(jī)特性研究

金政翰，趙連玉*，趙曉磊

（1.天津理工大學(xué)a.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津300384；2.海洋石油工程有限公司特種裝備公司，天津300384）

水下扭矩工具是啟閉水下閥門的關(guān)鍵組件，我國(guó)對(duì)水下扭矩工具的研制尚處于初步階段[1]，這些設(shè)備大部分為液壓驅(qū)動(dòng)，目前所使用的液壓設(shè)備存在操作程序繁雜、故障率高、精度低問題已經(jīng)難以滿足當(dāng)前扭矩工具的動(dòng)力需求[2]，針對(duì)此現(xiàn)狀，本文研制了一款深水電機(jī)來作為扭矩工具的驅(qū)動(dòng)裝置。該水下扭矩工具由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)減速器放大后進(jìn)行扭矩輸出。然而，普通有刷電機(jī)換向時(shí)出現(xiàn)的火花會(huì)對(duì)設(shè)備內(nèi)部其他的元器件帶來不利的影響，其密封只能采用抗壓方式，深水工作環(huán)境復(fù)雜，巨大的水壓會(huì)對(duì)設(shè)備的密封性和外殼的抗壓能力產(chǎn)生影響，所以普通有刷電機(jī)使用范圍有限。鑒于工作環(huán)境的特殊性，電機(jī)浸潤(rùn)在液壓油中使用減小了磨損，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，無電干擾，空載電流小。高水壓影響下的密封是首要解決的問題，為了解決這個(gè)問題，對(duì)電機(jī)采用壓力平衡式設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)子、定子等電機(jī)元件浸潤(rùn)在液壓油中并在減速器外殼上安裝壓力平衡裝置，使得整個(gè)深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)具有壓力適用性。然而，液壓油是一種具有黏性的液體，定子與轉(zhuǎn)子間原先的氣隙被液壓油填充，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)勢(shì)必會(huì)與液壓油會(huì)產(chǎn)生相互作用力，影響電機(jī)的特性。

李小平等人[3]提出多參考坐標(biāo)系模型對(duì)氣隙非油浸式電機(jī)泵內(nèi)部流體三維流動(dòng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，得出了電機(jī)注油進(jìn)出口的壓力隨著液壓油黏度的增大而減小。明國(guó)峰等人[4]通過三維有限元法對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得出了靠近背風(fēng)面轉(zhuǎn)子鐵心的繞組溫度最高。想要得到設(shè)計(jì)和制造性能優(yōu)良，達(dá)到或者超過國(guó)外同類產(chǎn)品的充油電機(jī)必須弄清楚液壓油對(duì)于電機(jī)特性的關(guān)系，國(guó)內(nèi)大部分關(guān)于充油電機(jī)內(nèi)液壓油對(duì)電機(jī)特性影響的研究比較少，為解決上述問題，針對(duì)深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)展開設(shè)計(jì)，最后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)國(guó)內(nèi)油浸式伺服電機(jī)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

深水油浸式電機(jī)主要由電機(jī)后端蓋、密封圈、定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)外殼、旋轉(zhuǎn)變壓器、壓力平衡裝置等部件組成，電機(jī)爆炸圖如圖1所示。電機(jī)后端蓋與電機(jī)外殼之間放置O型圈，形成靜態(tài)密封。根據(jù)密封圈工作原理，安裝過程中在給定的一個(gè)方向進(jìn)行初始?jí)嚎s，O型圈具有初始密封的能力，它隨著系統(tǒng)壓力的提高而增大密封能力，轉(zhuǎn)子通過螺紋連接固定在定子腔內(nèi)部。深水油浸式電機(jī)的定子由鐵芯、繞組組成，轉(zhuǎn)子軸兩端通過軸承扶正固定，定子通過螺栓與電機(jī)外殼進(jìn)行固定連接。深水油浸式伺服電機(jī)中，旋轉(zhuǎn)變壓器固定在轉(zhuǎn)子軸輸出端準(zhǔn)確地檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度的高精度控制[5]。

圖1 電機(jī)爆炸圖Fig.1 Motor exploded view

1.2 深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)的壓力平衡裝置

在復(fù)雜的深海環(huán)境中，水下儀器設(shè)備將會(huì)承受巨大的壓力，深海壓力問題是深海技術(shù)發(fā)展中必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問題[6]。如何保持設(shè)備內(nèi)部與外部海水壓力的平衡是個(gè)必須要面對(duì)的一個(gè)問題。本文設(shè)計(jì)將電機(jī)、減速器與整個(gè)設(shè)備內(nèi)腔連通在一起浸潤(rùn)在液壓油中形成一個(gè)油路循環(huán)。通過安裝在減速器外殼上的壓力平衡裝置的調(diào)節(jié)，使得海水壓力與系統(tǒng)內(nèi)腔油壓形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，基于彈性元件可以變形的能力來達(dá)到壓力平衡的目的[7]。具體實(shí)施方法有：采用膜片將設(shè)備充油內(nèi)腔與海水隔開，柔性薄膜將海水與電機(jī)內(nèi)的液壓油分開，薄膜的一側(cè)與海水直接聯(lián)通，另一側(cè)與水下設(shè)備的內(nèi)腔相聯(lián)通。利用膜片的彈性形變來抵抗外部海水的壓力實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓力平衡。隨著電機(jī)下潛深度的變大，外部水壓增大，壓力通過膜片傳遞給另一端的內(nèi)腔油液，使得膜片產(chǎn)生一定程度的彈性形變，使得電機(jī)保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，其中Fx為彈簧產(chǎn)生的反力，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 壓力平衡裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure schematic diagram of pressure balancing device

根據(jù)這個(gè)原理，將在電機(jī)上設(shè)計(jì)了一種壓力平衡裝置。電機(jī)內(nèi)部油液與整個(gè)扭矩工具的油腔是相聯(lián)通的，如圖3所示。

圖3 電機(jī)剖面圖Fig.3 Motor section

由于電機(jī)內(nèi)腔、壓力平衡裝置內(nèi)部與整個(gè)設(shè)備內(nèi)腔都是聯(lián)通一體并且內(nèi)部填充油液，當(dāng)電機(jī)工作產(chǎn)生溫度變化時(shí)，熱脹冷縮，油壓增大或減小會(huì)使得柔性膜片產(chǎn)生彈性形變與外界壓力進(jìn)行自適應(yīng)平衡從而不會(huì)讓電機(jī)壓力過高，從而避免外部水壓過大使得水滲入電機(jī)與整個(gè)設(shè)備內(nèi)。這樣不僅保證了內(nèi)腔油液與器件的可靠性與安全性，也為抗壓密封降低了條件，節(jié)省資源與材料成本。

2 深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析

深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙、在氣隙與密封處都充滿了液壓油，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生黏性負(fù)載，黏性負(fù)載阻礙轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)形成了反向扭矩，會(huì)造成油浸式伺服電機(jī)的功率損失，這部分損失的功率稱之為黏性功率損耗[8]。深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間充滿著液壓油，黏性較大。電機(jī)工作時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度升高，相互摩擦產(chǎn)生的損耗越來越大，液壓油的黏滯力對(duì)于轉(zhuǎn)子表面來說是一個(gè)阻力，這個(gè)阻力對(duì)于電機(jī)來說會(huì)產(chǎn)生黏性損耗[9]。深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙0.3 mm。電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與定子間的每層液壓油的速度方向主要為逆時(shí)針的切線方向[10]。其大小因液壓油的黏度與距離轉(zhuǎn)子表面的距離沿著徑向方向遞減。圓柱形轉(zhuǎn)子表面的油膜損耗，可以計(jì)算如下：

式中：K為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)系數(shù)；L為轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度；γ為液壓油的黏度；r為轉(zhuǎn)子的半徑；ω為轉(zhuǎn)子的角速度；C為流體摩擦系數(shù)。

轉(zhuǎn)子外表面與油液的切應(yīng)力：

其中，C為摩擦系數(shù)；ρ為液壓油密度；V為液壓油與轉(zhuǎn)子表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

摩擦系數(shù)為：

雷諾數(shù)為：

式中：ω為轉(zhuǎn)子角速度；γ為潤(rùn)滑油黏度；R為轉(zhuǎn)子的半徑；L為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度；δ為單邊氣隙長(zhǎng)度；T為潤(rùn)滑油與轉(zhuǎn)子表面間的摩擦力矩。

選擇中性的液壓油加注在電機(jī)中，加注在電機(jī)中定子、轉(zhuǎn)子所有空隙中的是殼牌得力士S2M46中型液壓油，液壓油的黏度是46mm2/s，密度為0.879 kg/L，轉(zhuǎn)子軸長(zhǎng)度117 mm，最大轉(zhuǎn)速為6 rpm，轉(zhuǎn)子半徑70 mm，得出摩擦力矩T=0.00524×10-5N·s，代入求解得到消耗的功率P為0.0314×10-5kW。

但是，由于黏性的潤(rùn)滑油具有黏度大的性質(zhì)，與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦，深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)的機(jī)械損耗主要還是油摩損耗，可以把潤(rùn)滑油與轉(zhuǎn)子軸之間的關(guān)系簡(jiǎn)化成流體力學(xué)中環(huán)繞在圓柱體周圍具有黏性不可壓縮流體的流動(dòng)，這樣可以將轉(zhuǎn)子軸與潤(rùn)滑油之間的摩擦看作是繞流物體的摩擦阻力問題，所以，將潤(rùn)滑油與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的摩擦損耗看作為阻力造成的能量損耗。阻力F通常表示為無量綱阻力系數(shù)fD，流動(dòng)產(chǎn)生的壓和參考面積S的乘積。

阻力系數(shù)fD只于流體有關(guān)，V是相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸的流動(dòng)速度；參考面積S是轉(zhuǎn)子軸迎流面積，即為垂直于流動(dòng)速度的投影面積。只要知道潤(rùn)滑油的黏度系數(shù)（阻力系數(shù)）及其電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的尺寸與轉(zhuǎn)速，就可以得到轉(zhuǎn)子軸與潤(rùn)滑油之間的摩阻力。在潤(rùn)滑油與轉(zhuǎn)子軸接觸表面存在一種相互作用力叫做剪應(yīng)力，是由流體相鄰流層的流速不同會(huì)產(chǎn)生相鄰近流層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。

由于流體的特殊性質(zhì)是不能夠承受剪切力的，所以用黏滯系數(shù)來描述流體內(nèi)部單元相互運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生摩擦的強(qiáng)度的大小。對(duì)于潤(rùn)滑油來說，黏滯系數(shù)表示著流體能夠維持原始形態(tài)的能力，容易受溫度影響，而對(duì)于轉(zhuǎn)子軸和電機(jī)來說，黏滯力是一種阻力。

其中式（6）～式（9）:τ為單面積上的黏滯力；μ為黏度dU/dy為速度梯度；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；d為轉(zhuǎn)子軸直徑；h為氣隙的間距；A為黏性摩擦力的作用面積；P為氣隙中產(chǎn)生的黏性損耗。

根據(jù)式（2）～式（10）可知，液壓油的黏度與黏性損耗成正比，黏性損耗與轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的平方、轉(zhuǎn)子直徑的三次方成正比，所以，轉(zhuǎn)子的直徑尺寸對(duì)于黏性損耗起到關(guān)鍵作用。轉(zhuǎn)子的直徑對(duì)于黏性損耗的影響最大，應(yīng)該適當(dāng)?shù)膶?duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來減少液壓油對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的損耗。表1給出了定子與轉(zhuǎn)子間潤(rùn)滑油黏度與黏性損耗的計(jì)算值，表中數(shù)值均是根據(jù)式（2）～式（10）得出。

表1 黏性負(fù)載與黏性損耗計(jì)算值Tab.1 Calculation value of viscous negative load and viscous loss

圖4給出了液壓油黏度與黏性損耗的變化曲線，如圖4所示，隨著液壓油黏度的增加，電機(jī)的黏性損耗也隨之增大，所以電機(jī)內(nèi)部的液壓油的黏滯力可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的影響，最終可能會(huì)導(dǎo)致氣隙油浸式電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)略少于非油浸式電機(jī)，影響其電機(jī)特性。

圖4 黏度與黏性損耗變化曲線Fig.4 Variation curve of viscosity and viscous loss

3 深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)溫度場(chǎng)仿真試驗(yàn)

根據(jù)以上油浸式電機(jī)損耗的計(jì)算結(jié)果，模擬仿真深水油浸式伺服電機(jī)在達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，通過浸油電機(jī)與空油電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行磁熱互耦分析求解，對(duì)比兩種不同浸油方式電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫升，為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)支持。根據(jù)表2電機(jī)主要參數(shù)先在Motor-CAD中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，建立如圖5所示電機(jī)有限元模型[11]。

表2 電機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of motor

圖5 電機(jī)有限元模型Fig.5 Finite element model of motor

設(shè)置電機(jī)的初始條件，深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)額定功率2.6 kW，轉(zhuǎn)速1 015 rpm，為了研究電機(jī)充油方式對(duì)于電機(jī)溫度、損耗、效率的影響，分別對(duì)空油電機(jī)與浸油電機(jī)進(jìn)行了兩組仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M，測(cè)試到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)速，計(jì)算得到兩者的穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖6與圖7，最終通過Motor-CAD軟件得到充油電機(jī)與空油電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖8所示。

圖6 充油電機(jī)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速軸向、徑向穩(wěn)態(tài)溫度Fig.6 Axial and radial steady temperature of the oil filled motor reaching the preset speed

圖7 空油電機(jī)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速軸向、徑向穩(wěn)態(tài)溫度Fig.7 Axial and radial steady state temperature of air oil motor reaching preset speed

通過圖8與表3對(duì)空油電機(jī)與浸油電機(jī)在達(dá)到同一預(yù)定轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)態(tài)溫度的求解，可得如下結(jié)論：

表3 空油電機(jī)與充油電機(jī)主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of different types of motors

圖8 空油電機(jī)與充油電機(jī)特性對(duì)比圖Fig.8 Comparison of characteristics between air oil motor and oil filled motor

1）溫度最高的關(guān)鍵位置為繞組的中心，溫度最低的位置出現(xiàn)在永磁體。

2）設(shè)備內(nèi)部的液壓油可以降低電機(jī)的溫度，并且減少電機(jī)的損耗。

3）液壓油是一種具有黏度的流體，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有一定的影響，但不是影響電機(jī)性能的主要因素。因?yàn)榕ぞ毓ぞ呤菓?yīng)用在非高頻使用場(chǎng)合，所以不需要擔(dān)心充油之后，液壓油對(duì)于電機(jī)的影響。

4）電機(jī)特性曲線對(duì)比圖可以看出充油之后的電機(jī)相較于空油電機(jī)到達(dá)特點(diǎn)轉(zhuǎn)矩值所需要的時(shí)間更短，相同轉(zhuǎn)速所輸出的扭矩沒有太大的區(qū)別，所到達(dá)的誤差在允許范圍之內(nèi)。所研發(fā)的深水應(yīng)用油浸式伺服電機(jī)完全滿足水下扭矩工具工作條件。

4 結(jié)論

油浸式負(fù)載會(huì)使得電機(jī)帶載啟動(dòng)，主要反映在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)的輕微損耗，在Motor-CAD建立的空油電機(jī)無油浸負(fù)載是個(gè)理想化的模型，電機(jī)不可能完全不存在油液。液壓油是一種具有黏度的流體，油液帶來的損耗不會(huì)對(duì)電機(jī)正常工作帶來較大的影響，不是影響電機(jī)性能的主要因素，文中利用Motor-CAD軟件針對(duì)深水應(yīng)用油浸式電機(jī)在充油與空油兩種不同工況下穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解，最大溫升小于空油電機(jī)工況，所以相對(duì)于空油電機(jī)不會(huì)由于溫度過高而造成特別多的銅耗和鐵耗，對(duì)電機(jī)前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與后期優(yōu)化提供參考，具有重要實(shí)際意義。