湯惠明，姚丙（bǐng）雷，王雲龍

（上海（hǎi）電機係統節能工程技術研究中心有限公司，上海，200063）

　　摘　要：針（zhēn）對直驅式離（lí）心泵機組的設計技（jì）術、製造技術、測試技術進行（háng）研究，並完成（chéng）開發（fā）直（zhí）驅式離心泵機組係列（liè）產品，形成相關的機組產品標（biāo）準。機組產品（pǐn）的能效水平，與目前的非直驅式普通機（jī）組相比，提高（gāo）10％以（yǐ）上，居國內領先地位，並達到先進（jìn）水平。從電機本體的研究（jiū）轉向機組的研究，將電機（jī）與水泵作為一個整體來設計，做到電機和水泵之間結構和陛能的真正—體化，加強泵體密封，是電機係統節能技術研究和產品（pǐn）開發（fā）的方向和必然趨勢。

　　關鍵詞：電機；水泵（bèng）；一體化；密封

　　0　引言（yán）

　　由於電機係統的複雜性，僅研究單機本體節（jiē）能技術，而不研（yán）究各單（dān）機組成的機組整體效率如何提高和綜合成本如何控（kòng）製的設計技術，其結果（guǒ）隻（zhī）能造成各單機成本（běn）及機組總成（chéng）本大幅增（zēng）加。這樣電機機組及係統整體（tǐ）效率提升並未（wèi）達到理想效果，難以滿足電機機組高效節能的需求，使（shǐ）得我國電機係統的優化匹配（pèi）、節（jiē）能技術（shù）等仍落後（hòu）於（yú）國外先進水平。目前，電機（jī）係統運行效率比發達國家低10％-20％^[1]。

　　本文將電機與水泵（bèng）作為一個整體來設計，研究機組的高效（xiào）直驅技術。在高效葉輪的基（jī）礎上，實現電機功率、轉矩、轉速與負載之間的（de）合理匹配（pèi）。

　　1　直驅式水泵機組一體（tǐ）化結構設計

　　（1）總體結構。

　　對於水（shuǐ）泵（bèng）機組，采用通用（yòng）高效電機（jī）和通用高效水泵（bèng）進行簡（jiǎn）單組合，其節電效果並不明顯。即使（shǐ）是目前國（guó）內正在（zài）開發的水泵專用高效電機，其與水泵的連接還是基於聯（lián）軸器（qì）或（huò）皮（pí）帶輪的傳動方式，電機（jī）與水泵之間的性能匹配（pèi）是基（jī）於在各自固有性能的比較基礎上的匹配，分別屬於兩個個體（tǐ）的設計，並沒有達到兩者性能和結構高效融合（hé）的設計，導致機組效率（lǜ）仍然（rán）較低。

　　直驅式水泵（bèng）機組取消了電機與水泵之間的聯軸器（qì）或皮帶輪，機組無傳動損（sǔn）耗，同時可取消離心（xīn）泵葉輪轉子軸承，降低（dī）機械損耗。由於（yú）直驅式機組（zǔ）結構緊湊、體積小、重量輕，而且成本低、運行效率高，所以該類型產品的（de）研究、開發（fā）與應用，是今後通用型設備發展的一種趨勢。

　　將驅動電機與水泵作為一個整體來（lái）設計，電機的轉子和水泵的葉輪共軸，即采用“直驅”的方式，取消了傳統的聯軸器和皮帶輪連接。直驅式水泵機組結（jié）構如圖1所示。

 

　　從圖1可看（kàn）出，電機轉子（zǐ）與泵葉輪采用直驅技（jì）術，利用電機凸緣端蓋與水泵泵（bèng）體（tǐ）一體化設計，縮短電機（jī）軸伸，減小（xiǎo）葉（yè）輪懸臂尺寸，提高軸的剛（gāng）性（xìng）。同時，葉輪（lún）采（cǎi）用後密封環與平衡孔方案及選用合適的軸承配置，來降低水泵產生（shēng）的軸向力，使水泵機組可靠運行。

　　（2）泵體（tǐ）的設（shè）計。泵體按照直驅式機（jī）組一體化的要求設計，和電機的凸（tū）緣端蓋直（zhí）接連接，在高效葉（yè）輪的基礎上，匹配電機的功率、轉速、轉矩，從性能和結構上做到真正的一體（tǐ）化設計（jì）。這樣，整個水泵機組無電機（jī）和負載間的傳動損耗（hào），同時取（qǔ）消了離心泵葉輪轉子軸（zhóu）承（chéng），降低了機械損耗。

　　2　電機與水泵（bèng）的性能匹配

　　將電機與水泵作為一（yī）個整體來設計（jì），在高效葉輪的基礎上，實現電機功率（lǜ）、轉矩（jǔ）、轉速與負載之間的合理匹配，從性能和結構上做到真（zhēn）正的一（yī）體化（huà）設計（jì）。機組無電機和水泵間（jiān）的傳（chuán）動（dòng）損耗，同時取消了離心泵葉輪轉子（zǐ）軸承，降低了機械損耗。

　　高效（xiào）電機在設計時，為了提高電機的（de）效（xiào）率，會盡可能（néng）地降低（dī）電（diàn）機的各種損耗。因此，加大轉子槽麵積，減小轉子電阻，降低轉子鋁損（sǔn）耗（hào）是設計高（gāo）效電機通常采取的（de）措施之一。減小轉子（zǐ）電阻，會造成（chéng）電機轉（zhuǎn）速（sù）的升高。當（dāng）電機轉速增大時，水（shuǐ）泵的轉速同步（bù）增（zēng）大，而水泵的軸功率與轉速呈三次方關係增大，電機的功率也同步增大，如圖2所示。當這部分增加的流量（對應（yīng）於電機增大的功率）對係統而言是（shì）多餘的部分時，亦即由於電（diàn）機效率的提高所節約的能源被（bèi）二次浪費。這正（zhèng）是水泵類二次方負載采（cǎi）用高效率（lǜ）電機有時反而不節能的特殊情況。因此，在直驅式（shì）水泵專用（yòng）高效電機設計時，需從電機設計上與水泵負載達（dá）到轉速上的匹配。

　　針對（duì）直驅式水泵專用高效率電機的開發，提出了功率匹（pǐ）配、轉矩匹配和轉速匹配的概（gài）念。提出一種與二次方轉矩類負載（zǎi）特性相匹配的控製轉速的高效電機（jī）設計方法。運用槽型元（yuán）素組合的設計方法，通過轉速的合理匹配，能夠使係統效率（lǜ）達到較佳的效果。解決了水泵類負載在使用高效電機時不節能或節能效果不佳的問（wèn）題。

　　對傳統（tǒng）的感應（yīng）電（diàn）機轉子（zǐ）槽型結（jié）構設計計算方法進行了分析，提出了（le）一種基於積分方法（fǎ）的槽型元素圖組（zǔ）合槽型法，來設計計算轉子的槽參數。可將轉子槽型分為若幹段，在槽參數計算中，將槽型剖分成多種基本的槽型元素（sù）進行求解，或直接通過多種槽型元素圖的組合設計新的自定義槽型，使得轉子槽型設計不再受限於傳統（tǒng）的槽型結（jié）構形式，從而增加了轉子槽型設計的靈活（huó）性，大大提（tí）高了設計人員（yuán）的主觀能動性和創造力，滿足了專用電機設計的需要。

　　3　泵體（tǐ）密封設計

　　水泵機組通常使（shǐ）用在較潮濕的環境中，空氣中的水汽等液態雜質含量較高，一旦這些液態雜質進入電機內部，將導（dǎo）致（zhì）電機繞組的絕緣電（diàn）阻降低，嚴重時將燒毀電機。這將對整個水泵機組的正常運行造成重大安（ān）全隱患（huàn）。此外，水泵機（jī）組在運行時，大量的粉塵、灰塵等固態雜質進入電機內部後，將對電機的轉動部件造成磨損，對其正常（cháng）運（yùn）行產生（shēng）不良影響。因此，水泵和電機的密（mì）封防護顯得尤（yóu）為重要，可靠的密封結構可以提高水泵機組的使用壽命（mìng）和工（gōng）作效率。

　　（1）軸伸部（bù）分的密封。軸伸（shēn）部（bù）分示意圖如圖3所示。

　　從圖3可看出，水泵和電機是真正意義（yì）上的“共軸”，將電機的轉子和水（shuǐ）泵（bèng）的葉輪共軸，即（jí）采用“直驅”的方式（shì），取消了傳（chuán）統的聯軸器或皮帶輪。

　　現將軸伸（shēn）部分分4段：段1上開有螺紋以配合葉（yè）輪（lún）螺母來軸向固定水泵葉輪。段2上設有（yǒu）鍵槽（cáo），通過鍵將葉輪和轉軸徑向固定，此種結構完全替代原有驅動係統（tǒng）中的泵軸和聯（lián）軸器。段3是通

過鍍鉻的方式，與機械密（mì）封的止退環、動環、靜環相結（jié）合，達到Z佳的密封效果。其（qí）中，動環與轉軸連接固定，工作狀（zhuàng）態隨轉軸一起轉動，而靜環部分安裝（zhuāng）在（zài）泵蓋上，Z大限度地減少泄漏點。段4裝配電機軸承和電（diàn）機與水泵相銜接的凸緣端蓋。

　　（2）機械密封。機械密封是由一對或（huò）數對動環與靜環組成的平麵摩擦副（fù）構成的密封裝置（zhì）。其工（gōng）作原理是靠彈（dàn）性構件和密封介質的壓力在旋轉的動環（huán）和靜環的接（jiē）觸表麵（端麵）上產生適當的壓緊（jǐn）力，使這兩個端麵緊密（mì）貼合，端麵間維持（chí）一層極薄的（de）液（yè）體膜而達到密封的目的。這層液體膜具有流體動壓力與靜壓力，起（qǐ）著潤（rùn）滑（huá）和平衡壓力（lì）的作用。

　　考慮到直驅（qū）式水泵機組的（de）實（shí）際使用工況，密封介質基本（běn）是水（shuǐ），所以選用的（de）機械密封靜環和動環的材料為石墨一碳化鎢。石墨有良好的耐蝕性，而碳化鎢（wū）具有極高的硬度和強度，以（yǐ）及良好的耐（nài）磨性和抗顆粒衝刷性，熱導率高，線脹係數小，具有一定的耐蝕性。

　　（3）“0”形密封圈和擋水圈的使用。在泵體和泵蓋止口連（lián）接處設（shè）有（yǒu）“0”形密封圈，結（jié）構簡單，安裝容易（yì），很好地解決了泵體（tǐ）與泵蓋連接處的滲漏問題。

　　在泵蓋與凸緣端蓋（gài）之間的轉軸上套有擋水圈，材料是（shì）氯丁橡膠，當電機運轉時有效地防止了液體從軸承外蓋處進入電機內部。

　　同時在葉輪上（shàng）設（shè）有平衡孔，並設計有後密封（fēng）環。

　　4　結語

　　直驅式水泵機組（zǔ）就是將驅動電機與水泵作（zuò）為一個整（zhěng）體來設計（jì），將電機的轉子和水泵的葉輪共軸，即采用（yòng）“直驅”的方式，取消了傳統的聯（lián）軸器和皮帶輪連接。利（lì）用電機的凸緣端蓋與水泵一體化設計，縮短了電機軸伸，減小了葉輪懸臂尺寸，提高了軸的剛性。同時，葉輪采用後（hòu）密封環和平衡孔的設計方案（àn），選用合適的軸承配置，來降低水泵產（chǎn）生的（de）軸向力，使水泵機組安全可靠地運行。

　　從電機本體的研究轉向（xiàng）機組的研究，做到電（diàn）機和負載之間的結構與性能的一體化設計，是電機係統節能技術（shù）研究和產品開發的方向和必然的趨勢。

　　【參考文獻】

　　[1]黃堅.基於槽型元素圖組（zǔ）合的感應電機槽型設計計算法[J].電機與控（kòng）製應（yīng）用，2012，39（5）：12-15.

 來源：《電機與控製應用》2015年9期