汤惠明，姚丙雷，王云龙

（上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海，200063）

　　摘　要：针对直驱式离心泵机组的设计技术、制造技术、测试技术进行研究，并完成开发直驱式离心泵机组系列产品，形成相关的机组产品标准。机组产品的能效水平，与目前的非直驱式普通机组相比，提高10％以上，居国内领先地位，并达到先进水平。从电机本体的研究转向机组的研究，将电机与水泵作为一个整体来设计，做到电机和水泵之间结构和陛能的真正—体化，加强泵体密封，是电机系统节能技术研究和产品开发的方向和必然趋势。

　　关键词：电机；水泵；一体化；密封

　　0　引言

　　由于电机系统的复杂性，仅研究单机本体节能技术，而不研究各单机组成的机组整体效率如何提高和综合成本如何控制的设计技术，其结果只能造成各单机成本及机组总成本大幅增加。这样电机机组及系统整体效率提升并未达到理想效果，难以满足电机机组高效节能的需求，使得我国电机系统的优化匹配、节能技术等仍落后于国外先进水平。目前，电机系统运行效率比发达国家低10％-20％^[1]。

　　本文将电机与水泵作为一个整体来设计，研究机组的高效直驱技术。在高效叶轮的基础上，实现电机功率、转矩、转速与负载之间的合理匹配。

　　1　直驱式水泵机组一体化结构设计

　　（1）总体结构。

　　对于水泵机组，采用通用高效电机和通用高效水泵进行简单组合，其节电效果并不明显。即使是目前国内正在开发的水泵专用高效电机，其与水泵的连接还是基于联轴器或皮带轮的传动方式，电机与水泵之间的性能匹配是基于在各自固有性能的比较基础上的匹配，分别属于两个个体的设计，并没有达到两者性能和结构高效融合的设计，导致机组效率仍然较低。

　　直驱式水泵机组取消了电机与水泵之间的联轴器或皮带轮，机组无传动损耗，同时可取消离心泵叶轮转子轴承，降低机械损耗。由于直驱式机组结构紧凑、体积小、重量轻，而且成本低、运行效率高，所以该类型产品的研究、开发与应用，是今后通用型设备发展的一种趋势。

　　将驱动电机与水泵作为一个整体来设计，电机的转子和水泵的叶轮共轴，即采用“直驱”的方式，取消了传统的联轴器和皮带轮连接。直驱式水泵机组结构如图1所示。

 

　　从图1可看出，电机转子与泵叶轮采用直驱技术，利用电机凸缘端盖与水泵泵体一体化设计，缩短电机轴伸，减小叶轮悬臂尺寸，提高轴的刚性。同时，叶轮采用后密封环与平衡孔方案及选用合适的轴承配置，来降低水泵产生的轴向力，使水泵机组可靠运行。

　　（2）泵体的设计。泵体按照直驱式机组一体化的要求设计，和电机的凸缘端盖直接连接，在高效叶轮的基础上，匹配电机的功率、转速、转矩，从性能和结构上做到真正的一体化设计。这样，整个水泵机组无电机和负载间的传动损耗，同时取消了离心泵叶轮转子轴承，降低了机械损耗。

　　2　电机与水泵的性能匹配

　　将电机与水泵作为一个整体来设计，在高效叶轮的基础上，实现电机功率、转矩、转速与负载之间的合理匹配，从性能和结构上做到真正的一体化设计。机组无电机和水泵间的传动损耗，同时取消了离心泵叶轮转子轴承，降低了机械损耗。

　　高效电机在设计时，为了提高电机的效率，会尽可能地降低电机的各种损耗。因此，加大转子槽面积，减小转子电阻，降低转子铝损耗是设计高效电机通常采取的措施之一。减小转子电阻，会造成电机转速的升高。当电机转速增大时，水泵的转速同步增大，而水泵的轴功率与转速呈三次方关系增大，电机的功率也同步增大，如图2所示。当这部分增加的流量（对应于电机增大的功率）对系统而言是多余的部分时，亦即由于电机效率的提高所节约的能源被二次浪费。这正是水泵类二次方负载采用高效率电机有时反而不节能的特殊情况。因此，在直驱式水泵专用高效电机设计时，需从电机设计上与水泵负载达到转速上的匹配。

　　针对直驱式水泵专用高效率电机的开发，提出了功率匹配、转矩匹配和转速匹配的概念。提出一种与二次方转矩类负载特性相匹配的控制转速的高效电机设计方法。运用槽型元素组合的设计方法，通过转速的合理匹配，能够使系统效率达到较佳的效果。解决了水泵类负载在使用高效电机时不节能或节能效果不佳的问题。

　　对传统的感应电机转子槽型结构设计计算方法进行了分析，提出了一种基于积分方法的槽型元素图组合槽型法，来设计计算转子的槽参数。可将转子槽型分为若干段，在槽参数计算中，将槽型剖分成多种基本的槽型元素进行求解，或直接通过多种槽型元素图的组合设计新的自定义槽型，使得转子槽型设计不再受限于传统的槽型结构形式，从而增加了转子槽型设计的灵活性，大大提高了设计人员的主观能动性和创造力，满足了专用电机设计的需要。

　　3　泵体密封设计

　　水泵机组通常使用在较潮湿的环境中，空气中的水汽等液态杂质含量较高，一旦这些液态杂质进入电机内部，将导致电机绕组的绝缘电阻降低，严重时将烧毁电机。这将对整个水泵机组的正常运行造成重大安全隐患。此外，水泵机组在运行时，大量的粉尘、灰尘等固态杂质进入电机内部后，将对电机的转动部件造成磨损，对其正常运行产生不良影响。因此，水泵和电机的密封防护显得尤为重要，可靠的密封结构可以提高水泵机组的使用寿命和工作效率。

　　（1）轴伸部分的密封。轴伸部分示意图如图3所示。

　　从图3可看出，水泵和电机是真正意义上的“共轴”，将电机的转子和水泵的叶轮共轴，即采用“直驱”的方式，取消了传统的联轴器或皮带轮。

　　现将轴伸部分分4段：段1上开有螺纹以配合叶轮螺母来轴向固定水泵叶轮。段2上设有键槽，通过键将叶轮和转轴径向固定，此种结构完全替代原有驱动系统中的泵轴和联轴器。段3是通

过镀铬的方式，与机械密封的止退环、动环、静环相结合，达到Z佳的密封效果。其中，动环与转轴连接固定，工作状态随转轴一起转动，而静环部分安装在泵盖上，Z大限度地减少泄漏点。段4装配电机轴承和电机与水泵相衔接的凸缘端盖。

　　（2）机械密封。机械密封是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置。其工作原理是靠弹性构件和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面（端面）上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。这层液体膜具有流体动压力与静压力，起着润滑和平衡压力的作用。

　　考虑到直驱式水泵机组的实际使用工况，密封介质基本是水，所以选用的机械密封静环和动环的材料为石墨一碳化钨。石墨有良好的耐蚀性，而碳化钨具有极高的硬度和强度，以及良好的耐磨性和抗颗粒冲刷性，热导率高，线胀系数小，具有一定的耐蚀性。

　　（3）“0”形密封圈和挡水圈的使用。在泵体和泵盖止口连接处设有“0”形密封圈，结构简单，安装容易，很好地解决了泵体与泵盖连接处的渗漏问题。

　　在泵盖与凸缘端盖之间的转轴上套有挡水圈，材料是氯丁橡胶，当电机运转时有效地防止了液体从轴承外盖处进入电机内部。

　　同时在叶轮上设有平衡孔，并设计有后密封环。

　　4　结语

　　直驱式水泵机组就是将驱动电机与水泵作为一个整体来设计，将电机的转子和水泵的叶轮共轴，即采用“直驱”的方式，取消了传统的联轴器和皮带轮连接。利用电机的凸缘端盖与水泵一体化设计，缩短了电机轴伸，减小了叶轮悬臂尺寸，提高了轴的刚性。同时，叶轮采用后密封环和平衡孔的设计方案，选用合适的轴承配置，来降低水泵产生的轴向力，使水泵机组安全可靠地运行。

　　从电机本体的研究转向机组的研究，做到电机和负载之间的结构与性能的一体化设计，是电机系统节能技术研究和产品开发的方向和必然的趋势。

　　【参考文献】

　　[1]黄坚.基于槽型元素图组合的感应电机槽型设计计算法[J].电机与控制应用，2012，39（5）：12-15.

 来源：《电机与控制应用》2015年9期