井下低压冷却水泵设计研究

杨美娟

目前井下大型设备的冷却方式主要分为风冷与水冷两种，井下工作环境十分复杂，有时需要在深井工作时，设备附近空气稀薄，空气流通较少，风冷作用效果不佳，因此水冷是首选冷却方式。由于井下供配电较为复杂，因此许多设备都配有蓄电池作为备用电源或低压供电电源。冷却水泵的供电一般也多为低压蓄电池，因此水泵的供电电压一般为12V/24V的直流电。目前的许多设备由于发热量的不同导致需要的水泵流量、扬程参数不尽相同。甚至需要设计多个水路系统来解决散热。为此设计一款性能较为充足的水泵来满足不同工况的需求就显得十分重要。

本文主要设计一种高效的井下的低压冷却水泵，该水泵的泵头性能优于市场上的绝大数产品，采用控制器与电机分离的方案解决自身发热量大的问题，每个部件均采用密封设计，可以实现IP68的防护等级。最终通过实验验证水泵的性能曲线以及可靠性。

1泵头设计及仿真

水泵的泵头性能直接决定了整个水泵系统的设计，根据水泵的设计原理要想达到预期的设计需要根据目标参数不断调整叶轮性能，水泵的流量与转速的三次方成正比，水泵的流量与转速和叶轮的截面积成正比。本文设计的水泵要求在14米扬程能满足130L/min的水流量，行业内的管道口通常有1英寸与1.5英寸两种规格，为了做到大流量输出且与行业标准兼容，水泵的管道进出口为38mm，根据电机的定子冲片尺寸限制叶轮整个腔道外径不能超过90mm，因此叶片数量为6，外径为73mm，基于扁平化的设计角度出发，叶轮高度选择8mm。

对图1设计进行流道仿真，仿真结果如图2所示。由仿真结果可以看出水泵的流道顺畅，基本没有气蚀以及涡流的存在，仿真结果只能作为对流体流道运行趋势好坏的一种鉴别依据，实际中需要通过实验验证设计的可行性。

2电机结构设计

电机设计采用水泵与电机分离的方式，该方式相比于传统的湿转子的方式来说具有结构简单、振动较小等优点，密封件采用的是油封或者机械密封。在泵头与电机连接处有滴水孔的设计，防止机械密封泄漏量较大时水直接流入电机内造成电机烧坏的情况。电机的泵头位置与管道的链接采用喉箍锁紧。电机的机壳采用挤压成型工艺，这样可以极大地节省模具的费用。在机壳上有一些散热筋可以很好地用于降低电机温升，提升电机的可靠性与寿命。电机与控制器的设计采用分离方案，因此三相绕组U、V、W的出线需要解决密封的问题。本文的设计采用防护等级为IP68的接插件或者锁紧器作为连接方式。这样保证了整个水泵本体的密封等级可以做到IP68的防护等级，具体的结构设计参考下图3所示。

3控制器结构设计

控制器的供电电压为24V直流电压，且需要与电机的U、V、W三相相连实现电机驱动控制，因此对外接口需要有24V的VBAT+、VBAT-以及三相U、V、W。三相线束可以通过一个3pin的标准接插件完成，电源供电线可以通过2pin的接插件完成。为了满足不同需求，可以将2pin的电源接插件上用于自锁的两个小口引出CAN通信信号或者485通信信号，实现外部通信调速的目的。

散热设计则采用伸出散热筋的方式实现自然冷却，安装固定则是通过底板伸出的四个螺钉孔完成，顶板与底板间用O型橡胶圈压紧，两个端面的连接由于O型圈有0.3-0.5mm的压缩量，当靠螺钉固定压紧时可以实现IP68的防护等级。

如图5为水泵系统设计的3D示意图，电机与控制器连接通过接插件完成，控制器的电源线束引出直接接到蓄电池上，可以根据环境的需求调节线束的长度。整体设计安装固定方式十分方便，电机模块与控制器单体都采用IP68防护等级设计，连接的接插件也是可以满足IP68的防护等级，因此系统具备IP68的防护等级，具备潜水泵的防护要求。

4控制器热仿真

控制器的温升以及可靠性主要取决于温升，对于水冷系统的发热量往往需要能在85℃的环境温度下工作，且温升需要控制在40K以内。这就对热设计提出了挑战。由于没有其他的散热处理，因此需要靠自身的散热筋解决散热问题，控制器的发热源主要取决于MOSFET的发热，因此MOSFET上均采用贴近散热片散热。MOSFET与散热片之间的导热材料选取导热系数尽可能高的导热材料，这样也有利于热量的传输与分散。发热源过多地集中在一起往往会造成局部温度过高，这是非常危险的，因此在MOSFET的布局上也是尽可能地分散开来。这样可以有效地利用控制器外壳均匀散热。

5实验验证

根据设计要求做出相应的样机做性能测试，如图6在实验台上搭建测试环境，主要测试不同转速下水泵的流量、扬程以及输入功率。绘制系统的Q-H曲线以及N-H曲线。水泵的转速测试具有局限性，无法直接获取，为了能够得到水泵的真实转速，采用控制器外置测试相电流频率的方式计算电机转速。

本文针对井下低压冷却水泵设计，采用该效率的水泵泵头与流道设计提升水泵系统整体的性能，采用接插件、锁紧器等连接方式保证出线端的防护，通过机械密封与油封、密封圈等设计解决壳体部件的连接。整体的密封等级达到IP68，通过热仿真修正控制器散热结构，最后通过测试实现了14米扬程130L/min的工况要求，且效率达到62%。

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