高压湿式潜水电机水摩擦损耗分析*

鲍晓华， 盛海军， 单 丽

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009;2.合肥恒大江海泵业有限公司，安徽合肥 231131)

0 引言

潜水电机作为水下驱动的动力源，常与潜水电泵及各种水下机械配套组合使用。高压湿式潜水电机是潜水电机的一种，常放在矿井中立式运行，一般采用细长结构，电机内部充满冷却用的冷却水，转子采用笼型结构［1］。随着现在对海洋及矿井开发的深入，高压湿式潜水电机将成为科技研究者主要研究的方向。由于电机内腔充满冷却水，转子在水中高速旋转，水的黏度特性比空气大得多，使得电机产生的机械损耗比普通电机大很多，在电机总损耗中占有较大的比重。但是，由于湿式潜水电机结构的特殊性，准确计算出摩擦损耗一直是湿式潜水电机设计中的一个重要问题。准确计算转子水摩擦损耗，可以为转子结构及散热设计提供依据。文献［2］针对潜油电机的结构特点，利用流体力学理论分析并计算了潜油电机机械损耗。文献［3］利用三维流体场分析了高速永磁电机转子空气摩擦损耗。文献［4］分析了转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响。目前，利用场的方法分析计算高压湿式潜水电机水摩擦损耗的文章还很罕见。

基于流体力学及摩擦学原理，将流体与固体接触面设为耦合边界条件，比传统的公式法更能准确地分析转子水摩擦损耗。利用流体场模型，对高压湿式潜水电机转子的水摩擦损耗与转子转速、表面粗糙度及轴向冷却水流速的关系进行分析，并以6 kV－3 150 kW－4P电机为例进行转子水摩擦损耗的分析。

1 高压湿式潜水电机转子水摩擦损耗分析

1.1 湿式潜水电机结构

由于工作环境的特殊性，潜水电机的结构较一般常用电机结构有所不同，本文介绍的电机结构如图1所示。电机采用内外双水冷结构，电机内部充满冷却水，内部冷却系统如下:电机工作时带动止推轴承下面的泵轮转动，泵轮从冷凝器中抽取的冷却水经止推轴承流过下导轴承，再由转子铁心部分水道、电机气隙及定子铁心槽空隙部分流到电机铁心上端部，再由机壳部分水道流至冷凝器中(如图1箭头所示)，如此反复循环。

图1 高压湿式潜水电机结构

1.2 水摩擦损耗的传统公式法计算

潜水电机内腔充满冷却用冷却水，转子在冷却水中高速旋转，其摩擦损耗主要由三部分组成:转子与冷却水的摩擦损耗、推力轴承的摩擦损耗及导轴承的摩擦损耗，其中主要作用是转子与冷却水的摩擦损耗。

1.2.1 转子与冷却水的摩擦损耗

湿式潜水电机转子在水中旋转产生的水摩擦损耗为［5］

式中:D2——转子外圆直径;

l——转子铁心长;

n——转子的转速;

v——转子外圆的圆周速度;

γ——水的重度;

k——与转子运动状态有关的系数。

1.2.2 导轴承损耗

当气隙均匀时，理论上不存在单边磁拉力，导轴承产生的摩擦损耗仅为轴与轴瓦间隙缝中流体的摩擦损耗。但是，由于在加工装配过程中不可避免的使定、转子间气隙不均匀，产生单边磁拉力，使导轴承损耗加大。一般导轴承的损耗可以由式(2)近似求出［6］:

式中:f——单边磁拉力;

b——摩擦系数;

D——转子外径;

ω——转子角速度。

1.2.3 推力轴承摩擦损耗

潜水电机中，推力轴承用水做润滑剂，由于水的黏度较小，受温度的影响却较大，使得摩擦损耗较难准确计算，目前常用的估算公式为［6］

式中:G——电机自重给推力轴承的负荷;

u——摩擦系数;

r——推力轴承的平均半径;

ω——转子角速度。

1.3 转子水摩擦损耗的流体场分析

1.3.1 方程与求解模型

电机采用水作为冷却介质，电机中水的雷诺数远大于2 300，显然处于紊流状态，当不计重力场时，根据黏性流体力学理论，对不可压缩流体紊流流动方程，利用时均法，在直角坐标系中进行如下描述［7-11］:

u'i——脉动流速;

Fi——质量力;

i=x，y，j=x，y，且i≠j;

u——流体黏性系数;

ρ——流体密度。

电机在运行过程中，受到转子转动的影响，转子表面的流体既有轴向流动又有沿着转子旋转方向的切向运动，在完全紊流的流场条件下，可推导出如下的标准紊流求解模型［12-16］:

Gk——平均速度梯度引起的湍动能;

σk和σε——分别为湍动能k和耗散率 ε的有效湍流普朗特数的倒数;

ut——湍流黏性系数，ut=ρCuk2/ε ;

C

2ε、Cu——常量。

C1ε与流动情况有关，求解模型如下:

Si，j——流体的时均应变率;

η0、β——常量。

1.3.2 基本假设

文章以6 kV-3 150 kW-4P潜水电机为例，对转子表面的水摩擦损耗进行流场分析。3-D流体场模型如图2所示。

图2 高压潜水电机3-D流体场模型

在进行流体场分析之前，做出以下假设:

(1)冷却水沿冷却水流道水平进入;

(2)电机损耗产生的部分热量在冷却水道出口处由流体带走;

(3)指定流体入口为速度入口，出口为压力出口，设为大气压;

(4)认为气隙交界面为运动边界，在交界面上指定粗糙度和旋转速度;

(5)固体和流体交界面为耦合边界。

根据以上假设，高压湿式潜水电机的转子水摩擦损耗可通过计算电机的总损耗求出，电机总的损耗为

式中:hf——流体的热传导系数;

Ts—— 壁面温度;

Tf—— 流体温度;

qr——辐射热通量。

2 基于流体理论的水摩擦损耗计算

2.1 转子水摩擦损耗计算

图2所示的转子水摩擦损耗为

式中:P1——潜水电机转子表面的水摩擦损耗;

P2——导轴承表面的水摩擦损耗;

P3——推力轴承表面水摩擦损耗。

利用上述建立的流体场模型，可计算出不同转速下水摩擦损耗，如图3所示。

由图3可以看出电机转速对转子水摩擦损耗影响很大，近乎呈现出指数关系。

图3 水摩擦损耗与转速的关系

图5 轴向水流速对湿式潜水电机水摩擦损耗的影响

2.2 水摩擦损耗影响因素分析

高压湿式潜水电机转子的水摩擦损耗不仅与电机转速有关，还与转子表面的粗糙度及冷却水的流速有关。依据流体场分析，可以得到转子表面粗糙度和轴向冷却水流速与转子水摩擦损耗的关系，分别如图4、图5所示。

图4 转子表面粗糙度对湿式潜水电机水摩擦损耗的影响

2.3 与试验结果比较分析

按照三相异步电机试验方法(GB1032－85)中要求，对本文所选用潜水电机做空载试验，得到不同转速下的电机空载损耗数据，并且利用损耗分离的方法，分离出不同转速水摩擦损耗，并将试验结果与计算结果进行了比较，如图6所示。

图6 不同转速水摩擦损耗计算值与试验结果对比

由图4可看出，水摩擦损耗随着转子表面粗糙度的增大而逐渐增大，通过提高制造工艺可以降低转子表面粗糙度，即采用光滑的转子表面，从而降低水摩擦损耗。

电机转子部分水道是为了冷却转子用的，也会增加水摩擦损耗。图5显示了在额定转速(1 480 r/min)下水摩擦损耗与冷却水流速的关系:增加水流速直接使得转子水摩擦损耗的增加;电机转子水摩擦损耗和轴向冷却水流速基本呈现线性关系。为了降低水摩擦损耗，可以在保证总的水流量不变的情况下，通过增大水道截面积来减小轴向水流速，从而既保证转子的冷却，又降低了转子水摩擦损耗。

由图6可看出，在转速较低情况下采用流体场模型计算得到的水摩擦损耗与试验结果基本一致，随着转速的增大，计算结果比试验结果要偏低一些。

3 结语

本文以6 kV-3 150 kW-4P潜水电机为例，利用流体黏度特性，计算并分析了高压湿式潜水电机转子水摩擦损耗，以及影响水摩擦损耗的因素，计算结果与空载试验结果一致，说明了该方法的正确性。可以得出以下结论:

(1)利用流体理论，可以对高压湿式潜水电机的转子水摩擦损耗进行流体场分析计算，试验结果证明了该方法的准确性;

(2)电机转速、冷却水流速、转子表面粗糙度都是影响转子水摩擦损耗的主要因素，其中电机转速的影响最大，呈现出指数关系;

(3)电机的水摩擦损耗可通过对电机做空载试验，得到不同转速下电机的总损耗，利用分离系数的方法得到水摩擦损耗，其精度与空载试验时损耗的测量精度有关。

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