矿用潜水电泵高压电机设计

邢建宾，邢栋

(1 双龙集团上海防爆电机盐城有限公司，江苏盐城224000;2 河北大学质量技术监督学院，河北保定071000)

0 引言

矿用潜水电泵一般是一种以电动机为原动机的离心式水泵，近年来矿用潜水电泵的流量和扬程在不断增加，因此，配套的电动机功率也随着增大。随着功率的增大，采用低压电动机就显得不经济。三相高压电动机驱动的潜水电泵，这类电泵流量大、扬程高。与普通高压三相异步电动机相比该类电动机具有如下特点:(1)电泵的结构型式为泵置于电动机下部的下泵型，电动机为干式结构，电机外壳置身于电泵的水道内，对外壳的强度和密封性能要求高;(2)电机外壳防护等级IPX8;电机处于水下5m 深度应正常工作，对电机的密封要求较高;(3)电机为隔爆型，防爆标志为ExdbⅠ，适用于煤矿采掘面排水;(4)电机IMV1立式结构，电机轴与水泵轴为一体化设计，对轴的强度、刚性等有更高要求;(5)对于单吸泵在运行中水泵常常有较大轴向力，电机轴承负荷高;(6)电机的冷却方式为IC6AIW8，与一般高压电机的冷却方式稍有差异。

鉴于上述特点，仅仅按普通三相异步电动机的设计规范去设计这类高压电机显然是不够的，本文以矿用排沙泵BQS100-300/2-400/N 所配套的YBQG450-4p 400kW 6kV 电机为例进行论述。

1 矿用潜水电泵高压电机的结构设计

由于BQS100-300/2-400/N 矿用潜水排沙电泵的结构型式为泵置于电动机下部的下泵型，电动机为干式结构，泵为叶轮-导叶结构，见图1。

由图1 可见电机在正常工作状态时从水泵流出的水从电机外壳外部通道通过，电机与水泵的转轴为同轴结构且“轴伸”很长，这都给电机结构的设计带来了课题。

图1 BQS100-300/2-400/N 结构示意图

1.1 电机的外壳设计

电机外壳以外是水泵输出水流的通道，电机外壳承受较大的压力，就BQS100-300/2-400/N 矿用潜水排沙电泵而言，该泵的扬程为300m，水柱对电机外壳的压力约为

即水柱对电机外壳的压力约为3MPa，根据矿用水泵技术条件要求，在水泵制造中需要对隔爆零件进行1.5 倍扬程压力的水压试验，也即电机外壳最大需要承受的压力为

电机外壳防护等级IPX8，外壳还要承受巨大的水流压力，在选用壳体密封元件时应注意密封件的耐压值应大于P1(MPa)，轴贯通部分选用机械密封时也应满足此要求。

电机为隔爆型，防爆标志为ExdbⅠ，适用于煤矿采掘面排水。电机的外壳需采用钢板或铸钢材质，机壳与端盖连接处的螺栓选用时要考虑数量及强度。

1.2 电机的轴系统设计

由于泵轴与电机轴为同一根轴，一般情况下水泵部分不设置轴的轴向定位轴承，所以电机轴承需要承受泵全部的径向和轴向负荷(见图3)。图1 所示的水泵为双吸式水泵，由于两级叶轮轴向对称安装则电机除承受转子(含铸铝转子、轴、内风扇、平衡环、叶轮等)的重量以外基本不存在轴向力，但如果水泵部分为单吸泵和级数不对称的双吸泵时电机则需承受来自水泵部分的轴向力。尤其对于单吸泵来说，有些设计方案中搭载了用于平衡轴向力的平衡盘或平衡鼓等水力平衡系统，这种结构在清水泵中应用是可以起到平衡轴向力作用的，但在矿井下的水质则远不如清水那么洁净，由于矿井下的水含有不超过2%的固体颗粒(JB/T 6762 的规定)，这些固体颗粒会堵塞平衡系统的通道从而使平衡作用大幅下降。因此在电机轴系统设计时应注意区分水泵部分设计的结构特征，对于双吸泵的电机轴系统仅需考虑转子重量对轴承的影响，对于单吸泵除转子重量外还要考虑水泵的主轴向力。

1.2.1 电机轴承系统设计

1.2.1.1 电机轴承计算

BQS100-300/2-400/N 矿用潜水排沙电泵采用典型的闭式叶轮如图2 所示。

图2 叶轮

泵叶轮的总轴向力可按下式计算

式中，A—轴向力(N);ρ—流体的密度(kg/m3);g—重力加速度(m/s2);H1—泵单级扬程(m);d1—叶轮轮毂直径(m);d2—叶轮密封环直径(m);i—泵级数;k—系数，0.6 ～0.8，按泵的比转数选取。

若转子质量为w(含铸铝转子、轴、内风扇、平衡环、叶轮等，kg)，则电机轴承所承受的总轴向力为

式中，L10h—基本额定寿命(h)，C—轴承的基本动额定负载(N)，P—轴承当量动负荷(N)，p—寿命指数，对于球轴承p=3、对于滚子轴承p=10/3。

在选定轴承时可按普通高压电机选用轴承的经验预选不同的轴承，根据电机的额定转速和式(6)所得基本额定寿命从预选方案中可以选择合适的轴承，对于此类高压电机的轴承来说，其设计寿命应远大于JB/T 6762—2004《矿用隔爆型潜污水电泵》规定的2 000h 的要求。

1.2.1.2 电机轴的强度计算

最小轴径按下式计算

式中，P—额定功率(kW);n—电机额定转速(r/min)

对于大流量、高扬程的重要水泵还应对轴的疲劳强度等进行校验。

1.2.1.3 电机轴的刚性校核

泵的轴与电机为同一轴，水泵部分的轴(相当于电机的“轴伸”)处于悬臂状态，而且对于多级泵来说该悬臂部分很长，所以必须对轴的刚性进行校验。轴的刚性包括挠度和临界转速，在轴上存在有电机轴承支反力F1、F2、单边磁拉力Fr、电机转矩M0、叶轮转矩M1～i(1 ～i 为叶轮的级数)等负载，如图3 所示。

图3 IMV1 时轴受力示意图

对于蜗壳离心泵轴的负载时要考虑蜗壳对叶轮的径向反力。电泵卧式或倾斜使用时还应考虑转子重量、叶轮重量、轴重量、转子和叶轮残余不平衡质量引起的离心力对轴的刚性的影响。对于轴的挠度和临界转速的计算方法与普通电机相同，要求“轴的总挠度应不大于电机气隙长度的10%，一次临界转速应大于额定转速的130%或小于额定转速的70%”。对于叶轮—导叶间隙比较小的水泵(注:意即该间隙和电机定转子气隙长度相比较小)，轴的总挠度还应不大于该间隙的10%。

经过上述计算后可确定轴的水泵部分的尺寸(也即电机的“轴伸”)，如这些尺寸与电机的机内部分轴的尺寸(如轴承位直径、定转子气隙长度)相冲突，则需要对机内部分轴和轴承的尺寸或气隙长度进行调整，重新进行上述计算过程，直至满足所有技术要求为止。必要时应对调整气隙长度后的电机重新进行电磁计算。对于轴的刚性不能满足上述规定的还应对水泵部分的叶轮-导叶间隙做适当调整，直至符合规定为止。经过以上反复系统设计可提高整个电泵的可靠性。

1.3 电机的温控与接线盒设计

由于电泵在水下工作，电机为湿热型，应具有防潮、防雾、防盐雾功能。电机的接线盒分为电源接线盒和温控接线盒，应按ExdbⅠ设计成隔爆型，防护等级IPX8。接线盒应充分考虑气密性，保证电机处于水下5m 深度应能正常工作。

电机为湿热型，应在定子绕组上加装加热带，以便电泵停机时对定子绕组加热，绕组表面温度高于机内环境温度，使绕组不至于受潮而结露，从而影响绕组的绝缘电阻和寿命。

电机外壳防护等级IPX8，不允许有水份进入电机内部。在做好电机外壳的密封处理以外还应在电机内部应设置外壳泄漏检测装置和湿度保护装置，使电机内部最高相对湿度为90%，以保证电机内部泄漏后报警装置可以及时报警，减少事故损失。

电机为F 级绝缘，温升按B 级考核。为保证电机的安全运行，绕组应加装温度传感器或热敏开关，轴承装置应设置温度传感器以便对电机运行时的工作温度实时监控。绕组加热、测温和轴承测温的引出线应由独立的温控接线盒引出。

2 矿用潜水电泵高压电机的电磁设计

矿用潜水电泵高压电机的电磁设计与变通高压电机电磁设计相同，值得注意的是在电磁负荷的选择上要低一些。

3 结语

本文通过矿用潜水电泵隔爆型高压电机受力状况复杂，使用环境恶劣，提出了设计时不但要考虑电机的隔爆性能，满足矿用设备的ExdbⅠ隔爆等级标准，还要充分考虑电机的外壳和轴系统的受力和密封情况，达到防护等级IPX8，同时考虑电机电磁设计的满足水泵的工作要求，温升不超过B 级考核标准。矿用潜水电泵隔爆型高压电机的设计在很大程度上依赖于水泵部分提供的尺寸、受力状况等，电机设计者应充分利用这些外部数据才可以设计出性能优良的产品。

［1］ 湘潭电机厂.交流电机设计手册.长沙:湖南人民出版社，1978.

［2］ 关醒凡.现代泵技术手册.北京:宇航出版社，1995.9.［3］ 崔剑，杨万青.防爆防腐电动机修理.北京:机械工业出版社，2010.5.

［4］ B、A.雅科文柯.防爆异步电动机.北京:煤炭工业出版社，1983.

［5］ 钱伟长.电机设计强度计算的理论基础.合肥:安徽科学技术出版社，1992.

［6］ JB/T 6762—2004.矿用隔爆型潜污水电泵.北京:机械工业出版社，2004.

［7］ JB/T 10869—2008.中大型高、低电压潜水泵电动机(机座号315 ～710).北京:机械工业出版社，2008.