HQ高壓深潛電動(dòng)機(jī)研制

胡鵬飛

(上海上電電機(jī)股份有限公司，上海 201800)

0 引言

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，海洋監(jiān)測(cè)、勘探與開發(fā)能力不斷提高，對(duì)于深海電動(dòng)機(jī)的需求也越來越多。目前國(guó)內(nèi)僅少數(shù)幾家海洋科研機(jī)構(gòu)按自己的需要自行試制部分適用于高環(huán)境壓力下的自適應(yīng)型高壓大功率水下電動(dòng)機(jī)。為此我公司聯(lián)合相關(guān)研究單位研究設(shè)計(jì)了深海壓力自適應(yīng)充油電動(dòng)機(jī)。

所謂“壓力自適應(yīng)”，就是指該電動(dòng)機(jī)在水下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的壓力可以與外界的水壓相平衡。如果該電動(dòng)機(jī)的工作水深為6 000 m，則其內(nèi)外壓均等于60 MPa。深海壓力自適應(yīng)充油電動(dòng)機(jī)可以代替復(fù)雜的水下適應(yīng)型液壓系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)作業(yè)機(jī)械的各個(gè)執(zhí)行部件動(dòng)作，可以簡(jiǎn)化水下系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)，成倍地降低水下系統(tǒng)的重量，從而使整個(gè)水下系統(tǒng)的性能及可靠性均得以大幅度提高。

1 深潛電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)

1.1 深潛電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

深潛電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與常規(guī)鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)類似，因此電磁設(shè)計(jì)方法完全一樣。然而，由于它拖動(dòng)的負(fù)載是水泵，因此，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，但由于該型電動(dòng)機(jī)供電電纜較長(zhǎng)，達(dá)6 000 m甚至10 000 m，啟動(dòng)時(shí)的線路壓降需要核算。該型電動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)有油，冷卻效果良好，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇較高的電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷，從而提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，降低電動(dòng)機(jī)重量。

按額定功率128 kW，額定電壓3 000 V，額定頻率60 Hz計(jì)算，主要數(shù)據(jù)如下：

型號(hào) HQ128-4

額定功率 128 kW

額定電壓 3 000 V

額定頻率 60 Hz

額定電流 30.5 A

額定轉(zhuǎn)速 1 776 r/min

相數(shù) 3

極數(shù) 4

絕緣等級(jí) H

防護(hù)等級(jí) IP68

總損耗 8 332 W

功率因數(shù) 0.85

效率 93.8%

定子電阻/75 ℃ 1.296 Ω/相

熱負(fù)荷/AJ 2 906

溫升 ≤80 K

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 1.78

最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 1.9

堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù) 4.96

1.2 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、密封件等零部件組成，電動(dòng)機(jī)總裝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 HQ深潛電動(dòng)機(jī)總裝圖

電動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)充油，端蓋處設(shè)置有內(nèi)外壓力補(bǔ)償孔，保證電動(dòng)機(jī)機(jī)座受到的壓差不至于過大，從而保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電動(dòng)機(jī)底座支架具有足夠強(qiáng)度和螺栓把合空間，能夠承受2 g的加速度。在承受2 g加速度的情況下，保證電動(dòng)機(jī)安裝穩(wěn)固。電動(dòng)機(jī)軸直接與液壓泵采用花鍵連接，電動(dòng)機(jī)端面與泵端面對(duì)接，連接處配合面采用O形圈密封。主泵連接規(guī)格K3VL 200/B-1NRKM-P0/1-H1，法蘭連接規(guī)格：SAE E-4孔，平鍵連接；輔泵連接規(guī)格K3VL80/B-1NLKM-P0，法蘭連接規(guī)格：SAE C-2孔，平鍵連接。內(nèi)部電纜通過HVTP01高壓動(dòng)力貫穿件引出。

1.3 電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與材料選擇

1.3.1 定子

電動(dòng)機(jī)定子鐵心硅鋼片采用低損耗硅鋼片50W350，可有效降低定子鐵耗，定子鐵心采用壓圈+端板+扣片壓緊結(jié)構(gòu)。定子銅線采用聚酰亞胺漆包圓銅線，漆膜厚度為3級(jí)特厚漆膜達(dá)0.1 mm。

1.3.2 轉(zhuǎn)子

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用澆鋁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子鐵心直接熱套在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡采用去重法，盡可能的減輕整個(gè)電動(dòng)機(jī)的重量。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸采用40Cr，具有耐腐蝕性能，同時(shí)要求布氏硬度為HB280～320。

1.3.3 密封

端蓋與機(jī)座采用靜密封，出線盒采用水密接插件，電纜接頭硫化處理。

密封結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

我們采取的止口密封技術(shù)中，選用的O形密封圈材料為耐氟橡膠，具有比較好的耐老化、耐腐性的特性。為了保證更好的密封效果，O形密封圈應(yīng)有一定的壓縮量，其壓縮量E應(yīng)該滿足下式要求：

圖2 HQ深潛電動(dòng)機(jī)密封示意圖

式中：do為O形密封圈外徑；do1為壓縮后的O形密封圈直徑。大量生產(chǎn)實(shí)踐證明，E值一般應(yīng)在6%～10%之間。

放置O形圈的矩形溝槽尺寸可按如下公式進(jìn)行計(jì)算。

Sq=0.158do+0.219

Eo=0.158do+0.219/do

H=0.842do-0.219(+0.05do)

B=Kb(1+Eo1.5)do

R=(0.10～0.12)do

式中：Sq為壓縮量；Eo為壓縮率；H為槽深；Kb為壓縮系數(shù)，可取1.2；B為溝槽寬；R為槽底圓角半徑。

1.3.4 電動(dòng)機(jī)裝配

鑒于深潛電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)將一直浸泡在海水里，因此對(duì)耐腐蝕要求很高，而且要求電動(dòng)機(jī)盡可能輕。因此，深潛電動(dòng)機(jī)機(jī)殼、上端蓋、下端蓋、上內(nèi)蓋、軸承蓋等零部件均用采用6061-T6鋁合金，加工完成后表面陽(yáng)極氧化發(fā)黑處理，要求不得有縮孔、氣孔等，確保電動(dòng)機(jī)在海水中長(zhǎng)期使用表面無腐蝕現(xiàn)象。機(jī)座抗拉強(qiáng)度≥310 MPa，屈服強(qiáng)度≥275 MPa。

此外，所有外露緊固件均采用不銹鋼件，為了更好的密封，緊固件的數(shù)量也比普通標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)多。電動(dòng)機(jī)裝配完成后，必須做氣密性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力為0.2 MPa，要求3 min無泄漏。

2 深潛電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)

該電動(dòng)機(jī)的額定電壓為3 000 V，且電動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)充滿油介質(zhì)，所以整個(gè)電動(dòng)機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜也是核心關(guān)鍵部分。為了減輕電動(dòng)機(jī)重量，該電動(dòng)機(jī)采用散線繞組。具體絕緣結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 HQ深潛電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)圖

2.1 槽絕緣和相間絕緣

電機(jī)槽絕緣采用H級(jí)復(fù)合絕緣材料6650或NHN復(fù)合箔6550，絕緣厚度0.9 mm。

2.2 連接處絕緣

電機(jī)極間連接線及引出線連接處半疊包0.07 mm×20 mm亞胺薄膜粘帶一層，外面再包少膠粉云母帶5442-1B兩層，外部再半疊包0.1 mm×20 mm無堿玻璃絲帶一層。

2.3 槽楔

電機(jī)槽楔采用二苯醚玻璃布板3255；槽楔厚度為2 mm。槽楔長(zhǎng)度為伸出鐵心單邊長(zhǎng)10 mm。在充油環(huán)境下，也可采用3240環(huán)氧層壓板。

2.4 引出線

電機(jī)引出線采用JFEM-6KV氯醚護(hù)套引接線；連接處半疊包兩層自粘性硅橡膠帶6351，第一層搭接長(zhǎng)度不小于80 mm，第二層包繞長(zhǎng)度比前一層每端長(zhǎng)出20 mm。最外層半疊包一層0.1 mm×20 mm無堿玻璃絲帶并刷環(huán)氧自干清漆。

2.5 直線部分

線圈的直線部分對(duì)地絕緣用6650復(fù)合箔墊三層，線圈首匝半疊包聚酰亞胺薄膜6050一層，其余線圈再根據(jù)繞線順序均分成三組，以上、中、下三層的順序先后嵌入槽內(nèi)。層間墊入聚酰亞胺薄膜6050一層作為匝間絕緣的補(bǔ)強(qiáng)。線圈嵌入完成后，在槽口墊NHN復(fù)合箔6650三層，再插入槽楔將絕緣壓實(shí)作為。

2.6 端部部分

線圈的端部部分匝間分別包少膠粉云母帶兩層，合起來再包少膠粉云母帶兩層，最后半疊包滌綸絲帶一層。包扎完成后，端部利用扎帶至少扎4處，保證不會(huì)松散。定子鐵心采用真空壓力浸漆浸T-H1169無溶劑漆一次，再沉浸兩次。

經(jīng)過上述措施后，繞組的半成品試驗(yàn)及對(duì)地耐壓試驗(yàn)均一次通過。從而驗(yàn)證了該絕緣措施能滿足該電壓等級(jí)的要求。

3 深潛電動(dòng)機(jī)冷卻及接口要求

深潛電動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)部充油，外殼直接浸在海水，冷卻條件良好。電動(dòng)機(jī)接口由底座支架，具有足夠強(qiáng)度和螺栓把合空間，在承受2 g加速度情況下，可保證電動(dòng)機(jī)安裝穩(wěn)固。液壓泵與電動(dòng)機(jī)連接：液壓泵與電動(dòng)機(jī)軸采用花鍵連接，泵與電動(dòng)機(jī)端面對(duì)接，連接處配合面采用O形圈密封。

4 深潛電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及現(xiàn)實(shí)意義

深潛電動(dòng)機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率密度、體積、效率、控制、結(jié)構(gòu)、材料、工藝水平等各方面均有了更新更高的要求。深潛電動(dòng)機(jī)的開發(fā)符合國(guó)家“十三五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃方向，符合國(guó)家洋經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展工作的部署和要求。

2016年12月，我公司完成電機(jī)總裝并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與技術(shù)要求基本相符，該電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 HQ深潛電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1 HQ深潛電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

2017年3月，我公司生產(chǎn)制造的深潛電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于“海龍Ⅲ”潛水器，在西太平洋圓滿完成400 m淺水試驗(yàn)。海龍Ⅲ屬于中國(guó)“蛟龍?zhí)胶！惫こ讨攸c(diǎn)裝備，最大作業(yè)水深6 000 m，具備海底自主巡線能力和重型設(shè)備作業(yè)能力。通過實(shí)際使用，電動(dòng)機(jī)完全滿足技術(shù)要求，該項(xiàng)目為我國(guó)的海洋工程建設(shè)貢獻(xiàn)了我們的力量。