浅谈潜水电动机的型式及设计特点

黄家友，鲍晓华，荚小健

（1. 合肥三益江海泵业有限公司，合肥 231131；2. 合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009）

潜水电动机是一种用于水下驱动的动力源，常与潜水泵组装成潜水电泵机组，用于提取地下水，供城市、农村的生活、生产用水，农田排灌，也可用于工矿企业给排水，污水污物处理和排洪等多种场合。由于具有性能优良、安全可靠、可节约基建投资等优点，受到了越来越广泛的关注和应用。

1 潜水电动机的分类

潜水电动机按照其特性的不同可分为多种型式，本文主要从其内部结构入手，将潜水电动机分为以下四种基本的型式：

1.1 干式潜水电动机

干式潜水电动机内腔充满空气，轴伸端装有机械密封装置和橡胶油封，能阻止水分和潮气进入内腔。有的干式电动机轴伸向下，电动机下部带有一个气室，当潜入水中时，形成一个气垫结构或空气密封结构，阻止水分进入电动机，使电动机得到双重保护，从而提高了其可靠性。

1.2 充油式潜水电动机

电动机为充油密封结构，内腔充满绝缘润滑油，各止口配合部位均装有耐油橡胶“O”型圈，轴伸端装有机械密封装置，既能防止外部水分和潮气进入电动机内腔，又能阻止机内绝缘润滑油外泄。有的充油式电动机下部有保压装置，能在电动机运行过程中始终保持其内腔油压大于外部水压。

1.3 充水式潜水电动机

充水式潜水电动机内腔充满清水（一般为纯净软水），轴伸端装有机械密封装置和橡胶油封，能防止外部污水或泥砂杂质进入电动机内腔。下部装有橡胶囊，在电动机运行过程中自动平衡机内外水压，防止机内外水通过油封装置进行互换，从而减少外部杂质随水进入电动机内腔的机会。

1.4 屏蔽式潜水电动机

电动机定子由非磁性不锈钢制作的薄壁屏蔽套、端环和机壳组成的密封室严密封闭，内充固体填充物或绝缘油。转子腔内充满清水或防锈润滑液，轴伸端装有机械密封装置，能防止转子腔内液体漏出机外，并防止外部泥砂杂质进入机内。一般下部也带有压力平衡装置，以维持机内外液体压力的平衡。

2 潜水电动机设计特点

潜水电动机从原理上来说是一种特殊的三相异步电动机，但是由于使用环境的不同，使得它具有不同于传统三相异步电动机的独特的特点。本文主要以充水式潜水电动机为例，从结构设计和电磁设计两方面简要阐述其特点。

2.1 结构设计特点

充水式潜水电动机总体结构如图1所示：

图1 充水式潜水电动机总体结构图

电动机的定子4、转子5和轴承3均在水中工作，上、下部装有上、下导轴承2和10，轴承采用自润滑性能优良、抗咬合性良好的耐磨材料石墨或FB102等。轴下端装有水润滑止推轴承9，用于承受电泵运行时的泵转子和电动机转子自重，同时承受运行时由于水泵叶轮不平衡产生的轴向推力。为了限制水泵起动时转轴向上窜动，在滑板组件的上部装有上止推轴承7。外部增加散热筋6，底座12内腔充满清水且容积较大，这些都加强了电动机的散热效果。充水式潜水电动机一般在水下运行，当水质较差或水中含砂量较大时单纯的机械密封往往不能满足要求，这就需要增加甩砂圈1，它的作用相当于水泵副叶轮的作用，很大程度上阻止了泥砂和杂质进入机械密封。电缆出线采用如图2所示的结构，通过平压垫盖1压紧皮碗密封圈2，使之与电缆3紧密贴合，基本上杜绝了电动机内、外部的水通过电缆孔实现交换。有的充水式潜水电动机还有补水结构，防止由于接合面间的细微渗漏造成的电动机内部水量的减少。

图2 电缆出线结构图

2.2 电磁设计特点

首先，由于采用水润滑滑动轴承，轴承与轴间存在初始间隙，定转子间存在初始偏心，随着电动机的运行，滑动轴承会逐渐磨损，轴承与轴间隙会逐渐增大，定转子偏心增大，转子受到的单边磁拉力增大，转轴挠度随之相应增大。为了保证长期安全运行，这就要求设计时定转子气隙取值要比一般用途电动机要大，从而增大了磁化电流，导致充水式潜水电动机的功率因数相对较低。

其次，由于充水式潜水电动机内部充满清水，转子高速旋转时所产生的水磨耗数值较大，使得总损耗增大，导致充水式潜水电动机整体效率偏低。潜水电机在运行中的损耗和一般异步电机基本相同，包括绕组铜（铝）损耗、铁损耗，机械损耗和杂质耗。对于潜水电机来说，绕组铜（铝）损耗是定、转子在基准工作温度下额定运行时由电流产生的I2R损耗；铁损耗一般与定、转子冲片有关；杂质损耗一般为潜水电机输入功率的0.005倍。这三种损耗对于充水式、充油式和干式潜水电机来说只要定、转子绕组和定、转子冲片相同基本上是不变的。机械损耗由轴承损耗、转子在介质中旋转时的摩擦损耗和为了防止机外液体和杂质进入机内而在轴伸端安装的机械密封和骨架油封所产生的损耗三部分组成。转子的介质摩擦损耗对于充水式、充油式和干式潜水电机来说分别为水摩耗、油摩耗和风摩耗，可由下式计算：

—转子外圆直径（m）；

L——转子铁心档全长（m）；

n——转子的转速（r/min）；

v——转子外圆的圆周速度（m/s）；

γ——水或油的重度（N/m3）；

K——与转子运动状态有关的系数。

由式（1）可知，只要转子相同，转子介质摩擦损耗只与潜水电机内部所充介质的重度有关。对于水、油和气体来说，水的重度最大，油其次，气体的重度最小，所以充水式潜水电动机的转子介质损耗比干式潜水电动机的转子介质损耗大得多，往往可以相差几百倍。由于充水式潜水电动机转子介质损耗较大，使得充水潜水电机的机械损耗很大，总损耗相应也很大。在绕组和冲片条件相同的情况下，充水式潜水电动机的效率最低，一般情况下比干式潜水电机一般低 5～6个百分点。

再者，充水式潜水电机采用充水密封结构和水循环结构，定子绕组、铁心、转子等均直接浸在水中，由水直接冷却。电动机机壳也是直接浸没在外部水环境中的，机内热量通过机壳和机壳上的散热筋直接散发到水中，冷却条件极好。有的充水潜水电机在电机内部还设计有水循环系统，使电机内部水形成流动的循环，更加增强了充水潜水电机的散热能力。因此在设计充水式潜水电机时定、转子电密值、热负荷值和各部分磁密值一般都可以取的较大。

3 发展趋势及面临困难

近十几年来，随着我国矿山事业的发展，潜水电泵用量逐年扩大，为潜水电动机的发展开辟了广阔的前景。但随着矿山开采向深度发展，地下水位不断下降，导致用户对潜水电动机的单机功率要求越来越高，这就对潜水电动机的结构和材质提出了更高的要求。加之我国地下水资源复杂，有的地区地下水温度比较高，有的地区地下水酸碱度较大，更迫切需要我们采用新材料、新工艺，优化设计多种型式的潜水电机。目前我国潜水电机的设计、制造水平已经有了很大的提高，如用冷轧冲片替代传统的热轧冲片，采用FB102等性能优良的水润滑摩擦材料，研制高温耐水线等，但在产品的节能节材、更新换代方面还与国际先进水平存在很大的距离，这些都是摆在我们面前的紧迫任务。