贵州省园艺研究所
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潜水电泵是一种以电动机为原动机应用在污水处理、水利工程等重要场合的离心式水泵，随着市场对潜水电泵流量及扬程不断增大的需求，与之配套的电机功率也逐渐增大，从最开始的几个千瓦到后来的几百个千瓦再到现在的上千个千瓦。随着电机功率的增大，如果还采用低压电机来驱动，与之对应的大电流，大电缆等也随之而来，而电缆本身的重量对其布线和固定带来很大的不便，电缆增大的同时也对引出电缆的密封带来困难。
如果可以找到一种可以在水下5m正常运行的高电压电机将可以解决以上问题，因此高压潜水电机应运而生。
1、电磁设计
高压潜水电机的电磁设计与普通紧凑型高压电机设计类似，由于电机运行在水中，其散热相对于紧凑型高压要好，所以高压潜水电机可以取较高的电磁负荷，但要根据电泵的运行特点对电机的启动转矩和最大转矩进行校核。
1.1启动校核
小型水泵用电机设计经常忽略了电机启动性能的校核，而大型水泵尤其是潜水泵，因其叶轮直径比较大从而惯量也比较大，电机的启动校核尤其重要。
1.1.1电机启动时间计算
电机从0转速加速到额定转速的时间称为电机启动时间，其计算如下。
根据启动时间t，来计算定子绕组、转子导条、转子端环的启动温升。
1.1.2 电机各部分启动温升计算
定子绕组在启动过程中的温升计算公式如下，
转子导条、端环启动温升计算如下
1.1.3 电机主要部件温升限值
对于F级绝缘B级考核的电机各主要部件转子导条、定子绕组、端环的温升限值规定如下：
导条-------------------350℃（冷态）300℃（热态）
定子绕组--------------155℃
端环--------------------210℃（2、4极）80℃（6极及以上）----冷态
190℃（2、4极）50℃（6极及以上）---热态
加速时的温升限值（一次热态或者两次冷态下启动）
导条------------------250℃
定子绕组------------85℃
端环------------------120℃（2、4极）50℃（6极及以上）
1.2最大转矩倍数校核
水泵类负载以往认为其负载波动不大，对最大转矩倍数不做太大的要求。但根据现场和返厂维修的电泵进行分析后发现杂物进人蜗壳卡死叶轮，导致烧机的现象比较多，然而杂物最多的是小树枝、烂布条等，如果在杂物进入蜗壳后叶轮可以将杂物打断或者切断，将大大提高电泵的运行可靠性，因此需要在叶轮对杂物进行处理的瞬间，要求电泵驱动电机可以提供较大的转矩。经过大量实验验证（切割泵）当电机最大转矩倍数提高到2.0以上可以减少60%因此类问题而导致的烧机。因此建议高压潜水电泵的最大转矩倍数保证值应大于2.0。
2、结构设计
2.1 密封设计
由于潜水高压电机运行环境为水中，因此潜水高压电机在结构设计上必须做到严格密封，密封设计的可靠性将影响整个电泵的性能。
2.1.1引出电缆、控制电缆密封
引出电缆从顶盖或接线盒盖引出，为了保证其密封性高压潜水电泵采用的密封结构。
2.1.2主要结构件止口密封
各主要结构件之间采用O型密封圈密封，结构设计应注意避免O型密封圈的失效，O型密封圈失效原因一般是由于密封O圈被挤入间隙而造成的，因此配合间隙（沟槽）的设计直接影响O型密封圈的密封效果。O型圈压缩量计算公式如下：
其中压缩量E值一般在10%~15%之间。根据压缩量并结合GB/T3452.3来设计O型圈沟槽尺寸与公差。
2.1.3传动端密封结构
传动端采用三道机械密封，其中各止口之间通过O型密封圈进行密封，油室与油室之间通过一个机械密封座和机械密封进行隔开。通过此密封结构增加了电机可靠性，减少了因机械密封失效而引起的故障率。
2.2 轴承设计
潜水电机轴与泵体共用一根轴，电机轴承不但要承担电机转子自重外还需要承担泵体重量和水泵工作时的轴向力，轴承的选择是潜水高压电机不同于普通高压电机的又一个点。
2.3 电机风路设计
电机内部采用轴向通风，整个风路系统的动力由套在轴上的离心风扇产生，根据电机换热量，求出电机内部所需要的风量风压，通过风量风压并联合电机转速设计离心风扇（离心风扇的计算，见另一篇文章《电机冷却器的设计》）。电机整个内风路为：转子内径——离心风扇——内风道——转子内径。整个热交换过程为：定转子所产生的热量传递到内部冷空气，空气中热量传递到内风道中，内风道热量传递到电机外部（液体）中，因此，整个水泵在运行过程中，水位不能低于电机顶部。
3、监控设计
电泵在运行过程中，由于水下环境千变万化，而电泵也有可能因为水下环境的变化出现各种“症状”，如叶轮卡死、机械密封失效、轴承油脂污染等。为了防止这些“症状”的扩大，导致更大的损失，因此对电机各部分进行监控是减少事故发生和扩大的一个有效的办法。
电机内部设有定子绕组温度及轴承温度测量元件、机械密封监控探头，电机外部控制电路设有缺相、欠压、过压、过电流等监控设备。
其中在电泵传动端设有3道防水探头，在引出电缆端设有1道防水探头，当传动端第1道机械密封失效后，1号探头发出报检警报信号，电泵正常运行；当第2道机械密封失效后，2号探头发出维修警报信号，电泵正常运行；当第3到或者引出电缆端密封失效后，3号探头或者4号探头发出维修警报信号，电泵停机。
4、总结
基于以上技术，我们成功研制出高压潜水电机，并推向市场也得到了市场的肯定，尤其是传动端机械密封和预报警措施提高了电泵的运行可靠性，起到了应有的效果，得到了用户的一致肯定。
