（机械电子工程专业论文）深海压力自适应充油电机的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国海洋经济的不断发展，海洋监测、勘探与开发能力不断提高，对于 深海电机的需求也越来越明显地体现出来。目前国外仅少数几家海洋科研机构按 自己的需要自行试制部分适用于高环境压力下的适应型小功率水下无刷直流伺 服电机样机，供自己科研使用i 推向市场的产品，规格与数量都很少，且只有欧 美、日本的少数几家企业生产。国内则完全依赖进口，还没有正式的产品。针对 以上状况，本论文研究设计了深海压力自适应充油电机。所谓“压力自适应”， 就是指该电机在水下工作时，电机内腔的压力可以与外界的水压相平衡。如果该 电机的工作水深为2 0 0 0 米，则其内外压均等于2 0 m p a 。 深海压力自适应充油电机可以代替复杂的水下适应型液压系统，直接驱动作 业机械的各个执行部件动作，可以简化了水下系统的机构与结构，成倍地降低水 下系统的重量，系统可靠性得以大幅度提高。本论文研究的是通过弹簧压力补偿 器来给深海电机补偿海深产生的水压，以及由于压力补偿产生的一系列关键技术 问题，并自行设计开发了能够在高压舱环境下测试电机效率的系统，达到了掌握、 监控深海电机水下运行特性的目标，为进一步拓展深海电机规格、并进行批量生 产创造了条件。 论文共分为五章。第一章为综述，介绍了课题的研究意义、目的以及国内外 相关的研究情况。第二章主要阐述了电机结构、密封的优化设计方法。采用无刷 直流电机为本体，对永磁体转子进行导流设计，对定子电枢绕组采用真空环氧灌 封，保证了由结构引起的电机转子搅油功率损耗降到最低。针对样机开发阶段， 采取了配油和供电一体化的方案，降低对密封性的要求。第三章为流体动力建模 研究，建立了永磁体转子转动搅油的有限元模型。对比了理论数据、仿真数据与 实际数据的差异，提出了定转子环形缝隙的大小以及介质油粘度、粘温、粘压指 数是影响深海压力适应型电机在深海能否运作乃至高效运作的重要因素；并选择 变压器油作为充油电机的介质油。第四章为深海压力模拟实验设计和研究。作者 详细分析了测试系统中各个环境功率的分布，通过在各种环境下进行实验，对比 实验数据，得出了电机功率损耗的构成以及在模拟深海情况下的实际工作效率， 找出了设计高效率深海电机的关键点。第五章为总结，对现有电机的优化提出了 意见，并展望了将来需要进行深入研究的工作。 关键词：深海电机；弹簧压力补偿；密封：f l u e n t 仿真；深海模拟试验 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , a st h ed e v e l o p m e n to fo c e a ne c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ed e t e c t i o n , e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tc a p a b i l i t yi no c e a n ，t h en e e d so ft h ed e e p e l e c t r i c a lm o t o rb e c o m eb i g g e ra n db i g g e r a tp r e s e n t ，s o m ep r o t o t y p e so ft h e c o m p e n s a t e dm i n i - p o w e rd cb r u s h l e s ss e r v om o t o rw h i c hc o u l db eu s e du n d e rt h e c i r c u m s t a n c eo fh i g hp r e s s u r ed e s i g n e db ys o m ef o r e i g no c e a nr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s o n l yw i t ht h ep u r p o s e o fs e l f u s a g e i nc i l i n a b e c a u s et h e r ea r en op r o d u c t so ft h i sk i n do fm o t o r , a l lt h ec o n s u m p t i o no f t h i sk i n do f m o t o rr e l i e so ni m p o r t s t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rf o c a s e so nd e e p o c e a np r e s s u r e c o m p e n s a t e do i l f i l l e dm o t o r , w h i c hm e a n sw h e nt h em o t o rw o r k s u n d e rt h ed e e ps e a ，t h ep r e s s u r eo ft h ei n t e r i o rm o t o re q u a l st h ep r e s s u r eo ft h es e aa t t h ew o r k i n gd e p t h d e e po c e a np r e s s u r e - c o m p e n s a t e do i l f i l l e dm o t o rc a l lr e p l a c et h ec o m p l i c a t e d u n d e rs e aa d a p t e dh y d r a u l i cs y s t e m , a n di tc a l ld r i v et h ei m p l e m e n t a t i o no f 也e v a r i o u sc o r n p o n e n t so ft h ew o r k i n gm a c h i n ed i r e c t l y t h i sm o t o rs i m p l i f i e st h e s y s t e mo fu n d e r w a t e rs t r u c t u r e sa n di n s t i t u t i o u s ，w h i c hd o u b l e dr e d u c et h ew e i l g h to f t h eu n d e r w a t e rs y s t e m , a sar e s u l t ，t h es y s t e mr e l i a b i l i t yw a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t i l i sp a p e rs t u d i e st h ed e e ps e ap r e s s u r ec o m p e n s a t i o nf o rt h em o t o rt h r o u g ht h e s p r i n gp r e s s u r ea n das e r i e s o fk e yt e c h n i c a li s s u e sc a u s e db yt h ep r e s s u r e c o m p e n s a t i o n n 圮a u t h o rh a sd e s i g n e das y s t e mw h i c hc a nt e s tt h ee 伍c i e n c yo ft h e m o t o ru n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo ft h eh i g hp r e s s u r ec o n t a i n e r ，a n dr e a c h e st h et a r g e to f m a s t e r i n ga n dm o n i t o r i n gt h ep e r f o r m a n c ee h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e e ps e am o t o r a c c o r d i n gt ot h a ts y s t e m , t h cs p e c i f i c a t i o n so ft h ed e 印s e am o t o rc a l lb ee x p a n d e d ， a n dt h es y s t e mp r o v i d e sag o o dc o n d i t i o nf o rl a r g es c a l ep r o d u c t i o n 1 1 1 i sp a p e rh a sf i v ec h a p t e r s c h a p t e r1i st h ei n t r o d u c t i o n i tc o n c l u d e st h e p u r p o s ea n dt h em e a n i n g so f t h es t u d y , a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h es t u d ya th o m ea n d a b r o a d c h a p t e r2c o n c l u d e st h es t r u c t u r e so ft h em o t o r , t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so f t h es e a lo ft h em o t o r b r u s h i e s sd cm o t o ru s e df o r t h eb u l ko ft h ep e r m a n e n tm a g n e t r o t o rd i v e r s i o nd e s i g n , a r m a t u r ew i n d i n g so ft h es t a t o re p o x yr e s i nv a c u u m ，w h i c h g u a r a n t e e st h el o s so ft h ed o w e rc a u s e db yt h es t r u c t u r eo ft h er o t o rs t i r r e do i lr e a c h m i n i m u m a d d r e s sp r o t o t y p ed e v e l o p m e n ts t a g e ，t ot a k et h eo i la n de l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o ni n t e g r a t i o no f t h ep r o g r a m ，r e d u c i n gt h er e q u i r e m e n t sf o rs e a l i n g c h a p t e r 3i st h es t u d yo nf l u i dd y n a m i cm o d e l i n g i nt h i sc h a p t e r , t h ea u t h o re s t a b l i s h e sa f i i l i t ee l e m e n tm o d e lo f ap e r m a n e n tm a g n e tr o t o rr o t a t i o ns t i r r e do i l a c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o no ft h et h e o r e t i c a ld a t a , s i m u l a t i o nd a t aa n da c t u a ld a t a , t h ea u t h o rs t a t e s t h a tt h es i z eo fr i n gs l i tb e t w e e nt h es t a t o ra n dr o t o r , t h ed i e l e c t r i co i lv i s c o s i t y , v i s c o s i t y t e m p e r a t u r e p r e s s u r e - v i s e o s i t yi n d e xa r et h ev i t a lf a c t o r sw h i c hd e c i d e w h e t h e rt h ee f f i c i e n c yo f t h eo p e r a t i o no ft h em o t o ri nt h ed e e ps e ai sh i g i lo rl o w a s ar e s u l to ft h es t u d y , t h es e l e c t i o no ft h eo i l f i l l e dt r a i l s f o r m e ro i la sam e d i u mo f m o t o ro i l i sm a d e c h a p t e r4i st h es t u d ya n dd e s i g no nt h et e s to fd e e ds e ap r e s s u r e s i m u l a t i o n t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ev a r i o u se n v i r o n m e n t a li x ) w e r o ft h et e s t i n gs y s t e mc l e a r l y b a s e do nt h et e s t st k r o u i g hv a r i o u se n v i r o n m e n t s w i t i l 浙江大学硕士学位论文 t h ec o m p a r i s o no f t h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ea u t h o rh a so b t a i n e dt h ef o r m s o f t h el o s s o ft h em o t o rp o w e ra n dt h ef a c t u a le f f i c i e n c yu n d e rt h es i m u l a t i o no ft h ed e e ps e a , a n da l s oi d e n t i f i e dt h ek e yp o i n tt oi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i n gt h ed e e ps e a m o t o r c h a p t e r5i sc o n c l u s i o n t h ea u t h o rg i v e ss o m ev i e w so ft h eo p t i m i z a t i o no f t h ee x i s t i n gm o t o r , a n da l s op r o s p e c t sf o r t h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：d e e po c e a nm o t o r ；s p r i n gp r e s s u r ec o m p e n s a t i o n ；s e a l ；f l u e n te m u l a t i o n ； d e e ps g a s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：7 存； 签字日期：y 。7 年t ，b 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者始前、彤 签字日期沙。年沙幻口7 日 学位论文作者毕业后去向：够十，该么够 导师签名： 签字日期沙) 年。b 月9 加 工作单撕f 7 啦噙锑海幻飞。电话： 通讯地址：讥铋苟叫备苓帅访蝴 浙江大学硕士学位论文 1 - 1 引言 第一章综述 在海底或深水作业的执行动力来自电动机，或者来自液压执行元件。出于各 自的特点，深海电机具有更广泛的应用场合、更可靠的控制特性、更高的效率等， 成为目前海底水下应用的主要选择。 深海电机能够应用的场合包括：a u v r o v ，海底水下作业机械手，水下生物 探测设备以及海底绳缆控制设备等等。在地下水资源开发利用、海洋监测、勘探 与开发领域有着极为广泛的应用。普通的浅水使用的电机仅仅需要做好密封和耐 压壳体的设计就可以满足要求，然而，随着深度的增加，出现了一些关键问题。 就深水、海底环境而言，通常的设备面i 临的问题在于： 1 防水性的要求。一般的设备不能适应如此恶劣的工作环境，需要长时间 在水中泡着，整套工作设备要么防水，要么作密封设计。 2 耐压要求。设备随着在水中深度的不同，封闭容腔受到的压力也不同， 封闭容腔用来防水，或保护不能耐压的元件。一般来说，每1 0 米水深 相当于1 个大气压。 3 温度、化学要求。海底具有很低的温度以及不同的酸碱特性，会使得一 部分材料不能很好发挥作用，比如丁睛类0 型圈 1 4 1 。 深海电机的形式一般包括： 1 保护套筒类。此类电机在定子和转子间有保护套筒。整个定子绕组都被 保护在内，以防止海水的进入。这种电机一般应用于高腐蚀性的场合； 但缺点也比较明显，由于保护套简需要一定的厚度，从而带来的气隙的 增加，使得c o s # 变小，从而效率较低。 2 液体填充型。液态绝缘介质填充在电机中，电机运行在密封状态。这要 求这种液体具有好的绝缘特性，低摩擦系数以及好的润滑特性、低温度 系数等，一般采用变压器油，也有采用矿物油。 3 水填充型电机。此类电机有两种结构，一种是全封闭式，水填充其中； 另一种是开放形式。这两种电机要求好的与在水中绝缘的材料以及防护 设备，它的寿命取决于保护设备【“。 一般电机的原理大体上包括：同步电机、多相感应电机、直流电机、变磁阻 电机，步进电机以及单两相电动机等】。永磁交流电动机通常称为无刷电动机 或者无刷直流电动机。出于以下两个原因：其一，当用在变频、变压驱动系统中 时，其速度一转矩特性类似于直流电机；其二：人们可以把该电机完全看成一种 直流电动机，其励磁绕组位于转子上，其电枢绕组通过轴上的位置传感器和与电 浙江大学硕_ j ：学位论文 枢绕组连接的开关器件进行电子整流。1 。 深海电机一般采用无刷直流电机充油改造完成，e m p i r em a g n e t i c s 公司的 r i c h a r dh a l s t e a d 认为，选择深海运行的电机，首先要保证电机的所有材料能 够耐腐蚀，同时充分考虑材料的收缩性( 0 型圈以及塑料材料在深度下会收缩) ； 防止水接触到电线；将超过一定深度由于电缆传输所产生的功率损失考虑进去； 最后选择一种油质，能够保证这种油在高压和低温下依然是液体。油的黏度低有 助于较少损耗【l “。 1 2 国内外研究概况 由于深海电机广泛的应用场合和需求，各国都对水下电机进行了大量的研究 以及样品、产品开发工作。 1 2 1 国外研究状况 美国d e e ps e as y s t e m si n t e r n a t i o n a l ，i n c 研制开发的t h l - 4 0 8 4t h r u s t e r 作为 水下运载器，设备的配套产品，是2 0 余年的水下运载工程设计、制造的结晶。 它能提供轴上两个马力的功率，非常可靠，即使在极端的海底环境下。能够提供 长时间、连续的运转。它是无刷伺服电机，能够允许精确的输出功率控制从而可 以和精确的反馈系统一起应用，比如和自动深度系统、自动导航系统等。 这款水下电机可以交流供电也可以直流供电，它的主要参数如下： t h r u s t e rm o t o r ：l o n gl i f eb r u s h l e s s t h r u s t e rh r e l f ：l o 0 0 0h o u r se s t i m a t e d f o r w a r dt h r u s t ：9 5l b 5l b ( 4 3k g 。 2 3k g ) r e v e r s et h r u s t ：9 5l b ，5l b ( 4 3k g ， 2 3k g ) o p e r a t i n gd e p t h ：3 0 0 0m e t e r ss t a n d a r d ， 6 0 0 0m e t e r so p t i o n a l s h a f th o r s ep o w e r ：2 0h pa t1 2 0v a c i n t oe 咖 s h a f ts p e e d ：1 4 8 0r p ma t1 2 0v a ci n t o e d m s h a f ts e a lt y p e ：c e r a m i ca n dg r a p h i t e h o u s i n gt y p e ：p r e s s u r eb a l a n c e do i l f i l i e d ( p b o f ) w i t ht a t t l et a i lf o rv i s u a l o i ll e v e l v e r i f i c a t i o n ， a n d q u i c k d i s c o n n e c tf i t t i n gf o ro i lf i l l i n g o i lt y p e ：f o o d g r a d em i n e r a l 图1 = 1t h l - 4 0 8 4 水下推进器 h o u s i n gs a t e r i a l ：h a r d c o a ta n o d i z e da l u m i n u m 2 浙江大学硕士学位论文 n o s ea n dn o z z l em a t e r i a l ：n y l a t r o n p r o p e l l e rm a t e r i a l ：h a r d c o a ta n o d i z e da l u m i h e m c o r m e c t i n gc a b l e ：4 - f o o to i lf i l l e d w i t h 1 2 一p i n w e t m a t et y p ec o n n e c t o r s t a n d a r d ，f a c t o r yi n s t a l l e d ： o t h e r l e n g t h so p t i o n a l s i z e ：1 8 3 5i n ( 4 6 6c m ) l o n gb y4 5 0 i n ( 1 1 4o m ) d i a ( m o t o rh o u s i n g ) a n d1 0 3 0 i n ( 2 6 2e m ) d i a ( n o z z l e ) w e i g h ti na i r ：2 6i b ( i i 8k g ) w e i g h ti nn t e r ：1 6i b ( 7 3k g ) 图1 - 2t 甩一8 0 0 0 构成h p o 它的另一款产品t h - 8 0 0 0 则应用于海底液压源组件】。具体的连接方式如 下图i - 3 所示： 一。? 卜 h w w 一 ：雪巴目圊 瓣矿叫 l 。一翟撩j l 黼 l 擀一 图i - 3t 乩- 4 0 8 - 4 连接图 曾经是日立公司在美国的最大分销商的s u n s t a r 公司也推出了充油、充水 以及深海等系列电机。 该公司将最优秀的工业设计以及标准结合到“m ”型充油电机中。具有静态 平衡，双机械密封。标准型号在2 0 - 5 0 0 马力，4 6 0 2 3 0 0 伏以及1 8 0 0 转分。为 大功率水下电机。材料为：不锈钢、n s f 6 1 、环氧基树脂作为外衣的绕组铁芯。 特殊的材料加工还可见于：3 1 6 不锈钢、s u p e rd u p l e x 不锈钢以及镍一铝一青铜。 图1 - 4s a n - s t a r 系列充油电机 浙江大学硕士学位论文 该公司的”d ”型电机为充水电机，具有很高效率。所有暴露的金属为3 0 0 系 列不锈钢。电机整个密封并并且应用一个内置的压力平衡系统。 图卜5s u n - s t a r 系列充水电机 英国i n s t i t u t eo f o c e a n o g r a p h i cs c i e n c e sd e a c o nl a b o r a t o r y 研究表明，造成海 底电机损耗的原因在于：搅油损耗、密封摩擦损耗以及齿轮箱损耗。为了避免上 述的损耗，他们设计了一种新的电机，它由一前一后两个电机相对组成。中间的 绕组被充油封装在套筒中，并由弹性膜做压力补偿。技术参数达到了2 5 n m 的输 出转矩，3 0 0 转分，供电电压8 0 v 。 该研究还对如何测试转矩进行了研究，并提供了一套测试装置，并给出了实 验结果1 4 1 ； 图1 _ 6 深海电机参数试验装置以及电机参数测试曲线 4 osr0王v，c1、；vz 浙江大学硕士学位论文 除了常见的电机形式以外，一些特殊场合的应用要求电机尺寸小( 整体直径 低于l o o mm ) 、重量轻以及高效率以降低运载器的整体尺寸，提高运行时间和 应用范围。一般商业小型产品都是电刷型直流电机，从而效率低下而且不可靠。 f a r a d a yp a r t n e r s h i p 资助的研究计划设计出结构化集成的水下推进器，应用于小 型运载器。非常薄的壳体保护了叶片也提高了低速下的效率。整个推进器的直径 只有5 0 m m ，总体尺寸为壳体直径7 0 r a m ，总长5 0 m m 。类似这样尺寸的推进 器一般只能提供i o n 的推进力，输出功率仅仅为6 0 6 5 w ( 这种情况而且只是 在运载器静止状态，比如系在船柱上) 。该研究计划得出的样机能够提供2 5 n 的推进力，3 0 0 w 的功率。 与传统的叶片推进器不同，该推进器的叶片被安装在电机组件的轴上。电机 构成推进器的组件：转子构成包围叶片的环，定子则被包装在薄的壳体中。定子 和转子的尺寸都要和壳体配套，如果考虑到必须保持的定子和转子间的空间用来 做防水涂层，将会给整机尺寸带来更严格的限制1 9 1 。 = ：= = 乙l - e = = i 一r 1 一r k k 鬯o x 、 1 h hx 00 20 , 4o n 0 j1 , 4 1 j t q ，- p - f _ b 图1 - 7 集成水下推进器结构以及参数曲线 1 - 2 2 国内研究现状 国内以沈阳自动化研究所、科研院校为代表对水下电机、深潜泵作了大量的 研究工作，并提出了一些密封设计方法。 沈阳自动化所研制的内充油永磁直流电机其结构是外面为一壳体，中间为电 枢，电枢为永磁材料一钕铁硼制成，后端部加有后端帽，后端盖之间装有压头和 弹簧，利用电机内油压和外部压力形成压力平衡，后端盖向内有两个刷架，固定 其上，恰好卡在电机轴的换向器上，电机前部加有前端盖和前密封盖，之间加有 “0 ”形密封圈。其优点：体积小，密封性能好，适合在各种深水环境下使用， 性能稳定，安装、使用、维修方便。 iioi 一 哪 一 舯 舯 舢 。 懈 懈 御 舯 舯 廿 o 一予i1，善ef，互：|誊i。5a 浙江大学硕士学位论文 图1 - 8 沈阳自动化所某设计原理图 该直流电机外面为壳体( 3 ) ，中间为一电枢( 4 ) ，电机的后端加有后端帽 ( 1 5 ) ，后端帽( 1 5 ) 里面为平衡帽( 1 ) ，在后端帽( 1 5 ) 和平衡帽( 1 ) 之间 装有压头( 1 7 ) 和支撑塔簧( 1 6 ) ，后端帽( 1 5 ) 紧固在后端盖( 1 4 ) 上，后端 盖( 1 4 ) 与壳体( 3 ) 之间加有“o ”型密封圈( 1 3 ) ，电机前部加有前端盖( 1 0 ) ， 前端盖( 1 0 ) 外面加有前密封盖( 5 ) ，其间加有“o ”型密封圈( 9 ) ，端头加 有油塞( 7 ) 和轴动密封( 8 ) 【”j 。 西北工业大学对新型水下集成推进装置的研究，得出了组成机构的特点和面 临的一些问题： 1 在设计中，推进器需要有足够的过流 面积，这就对电机的定子轭、转子轭 和磁极的厚度有一定的限制。在电机 设计允许的情况下，要求使电机定子 轭和转子轭厚度尽量小，电机齿的高 度尽量小。但是，如果电机磁路中定 子轭和转子轭的厚度过小，磁场会很 容易达到饱和状态，使电机气隙磁感 图1 - 9 集成推进装置 应强度夙降低，不能达到良好的工作状态。 采用增大磁极极对数p 的方法可以解决这个问题，由于增大了磁极对数 使磁路中齿部和轭部的磁密度b 降低，同时也使磁路长度工减短，由于 磁势f = h l ( h 由b 对应材料磁化曲线查得) ，使得定子轭和转子轭上 的磁势降低从而改善了电机的工作点。 2 电机工作在水中，电机的导线和绕组部分需要良好的绝缘，由于钕铁硼 磁钢容易被腐蚀所以在设计中还要考虑其水密问题。在电机的定子绕组 部分可以灌入环氧材料密封绝缘。对于电机的转子的水密，可以先用环 氧材料包裹磁钢部分再加工去除多余的部分，以得到所需要的尺寸。 6 浙江大学硕士学位论文 3 推进器在水下工作，受到水流的影响使电机的转矩会有较大的波动，电 机工作转速较低并且集成电机推进器在使用中可能会频繁起动，这种工 作情况不适合无传感器无刷电动机，考虑以上情况设计中无刷电动机为 带位置传感器的无刷电动机，采用专用的芯片控制电机。 国内其他如上海交通大学水下工程研究所研究的“磁性联轴节在水下推进 电机上的应用”以及沈阳工业大学、自动化所等研究发表的“海洋机器人机械手 驱动电机的研制”以及深水密封研究等都对深海电机的研制起到了一定的作用。 然而，国内现有的深海电机仍然停留在理论阶段，只有很少数机构研制出样机， 仍然没能解决产业化所关心的诸如效率低下、不可靠以及系列化不够等问题。 1 - 3 论文研究的目的、意义、研究目标及内容 1 - 3 1 研究目的和意义 针对目前地下水资源开发利用、海洋监测、勘探与开发领域对水下无刷直流 伺服电机的抗压需求，研制电机内腔的压力可以与外界的水压相平衡的适应型水 下无刷直流伺服电机，可适用于极高的环境压力，解决其核心技术问题与系统集 成的关键环节。 随着我国海洋经济的不断发展，海洋监测、勘探与开发能力不断提高，对于 能够在6 ，0 0 0 米深海环境下工作的适应型深海水下微特电机的需求也越来越明显 地体现出来。与此同时，地下水资源的开发利用也对适应型深井水下微特电机提 出了抗压的要求，其水压指标基本上在1 0 0 0 米左右。 所谓“适应型”，就是指该微特电机在水下工作时，电机内腔的压力可以与 外界的水压相平衡。如果该电机的工作水深为6 0 0 0 米，则其内外压均等于 6 0 m p a 。“适应型”水下电机与目前通用的水下电机相比，最大的优势就在于它 不需要采用壁厚很厚的耐压壳体把整个电机包起来，来扛住6 0 m p a 的外界海水 压力( 能扛住6 0 m p a 外界海水压力的壳体是一个高压容器，其壳体的重量是电 机本体的1 0 倍以上) 。 “水下”微特电机区别于其他普通微特电机的主要特点是和主要应用对象是 有驱动和调速控制要求的、在深海或深井水下作业的机械装备。 在地下水资源的开发利用领域，需要把带有大扬程水泵的深井水下微特电机 安装在吸水管的头部，一直伸到井底。整个电机都浸没在1 0 m p a 的高压水中。 电机的动力线与控制线则沿着吸水管通到井底。 在海洋监测、资源勘探与开发领域，深海水下微特电机则需要搭载在相关设 备上，利用科学考察船上的铠装同轴电缆吊放到6 0 0 0 米海底，或利用a u v 、 r o v 、d s v 等水下机器人带到海底进行作业。整个电机都浸没在6 0 m p a 的高压 7 浙江大学硕士学位论文 海水中。电机的动力线与控制线则由搭载设备提供。 由于适应型水下微特电机不仅实现的电机内腔压力与外界水下的平衡，还兼 有驱动与调速控制两个方面的功能，因而可以代替复杂的水下适应型液压系统， 直接驱动作业机械的各个执行部件动作，大幅度简化了水下系统的机构与结构， 成倍地降低水下系统的重量，系统可靠性得以大幅度提高。 因此，本课题将研制适用于1 0 0 0 米深井和6 0 0 0 米深海的适应型深海深井 水下微特电机。 1 - 3 2 研究目标和内容 本论文将研究适用于1 0 0 0 米深井和6 0 0 0 米深海的适应型深海深井水下微特 电机的各项关键技术，并在此基础上研制一套适应型深海深井水下微特电机样 机。 本论文的研究范围主要是解决将现有微特电机应用于6 0 0 0 米深海或1 0 0 0 米 深井的各项关键技术，本论文的主要研究内容包括： l 、研究适用于6 0 0 0 米深海或1 0 0 0 米深井的水下电机的内外压平衡设计技术， 在普通2 0 0 w 无刷直流电机基础上，提出对电机进行耐6 0 0 0 米深水压力的改造方 案： 2 、研究水下电机浸油后如何确保其效率没有明显降低；研制一套适应型深 海深井水下微特电机的样机，以及配套的控制器，并进行相应的功能试验及主 要性能参数测试； 3 、研究适用于6 0 0 0 米深海或1 0 0 0 米深井的水下电机密封设计技术： 4 、研究适用于6 0 0 0 米深海或1 0 0 0 米深井的水下电机的效率检测技术；设法 为研制的样机创造一个使用条件，在实验室的试压舱内进行试验。 为了研制适应于深海深井环境的电机，需要在下述几个方面解决存在的技 术问题： ( 1 ) 电机内腔充油，如何实现内外压平衡 这是适应型水下电机的关键。实现内外压平衡需要有两个条件：介质和力源。 首先选择用于实现内外压平衡的介质。根据帕斯卡原理，液体的压力能够等 值传递，因此只要有液体进入电机内腔，就可以实现内外压力的平衡。同时由于 电机内部线圈不能浸水，所以只能通过充油的方式来实现压力平衡。 同时，对填充油的选择也有一定的限制。最主要的原因是极化问题。必须使 用不会被电机极化的油作为填充介质，否则将导致严重后果。 其次是实现内外压平衡的力源。一般的方法是采用弹性油囊的结构。油囊的 内腔与电机的内腔连通，充满油，外腔则暴露在水中。当外界水压高于电机内压 力时，油囊被压缩，油囊内液体压力增大，直到内外压力平衡为止。反之亦然。 8 浙江大学硕士学位论文 另外，也可以用弹性膜片或者弹簧来构造一个体积可变的充油空间，来达到内外 压平衡的目的。 在该课题中，本来考虑采用弹性油囊的设计，在电机壳体的后安装面上引出 油管，使得腔内和油囊相通。现在考虑采用压力补偿器的设计，这也是国外经 常采用的实际方法，优点在于： 可靠 同时给多个设备做压力补偿 与电机分开设计，模块化，电机设计只需提供压力补偿接口【1 0 1 考虑到现有的试验样机仅仅有一个出口，却需要引出电线和油路，对于电线 的抗压考虑，并没有在水中的抗压试验情况，但可以肯定的是，普通电线的铜芯 在60mpa 水中将不可避免的与水接触，这给绝缘带来了很大麻烦；另外，在 油中却可以保持绝缘，因此，在高压水中，都采用专用的电缆接头，而将焊接点 采用绝缘自粘胶带封装与充油环境中 ( 2 ) 电机的转子采用导流型设计，电机定子绕组采用环氧树脂抽真空填满， 充变压器油以降低搅油损耗 普通电机基本都有凸极，这种设计在空气中并无大碍，然而，当电机中充油 时，没有导流型设计的转子将以很高的转速搅动电机内充油，不但人为带来了转 轴上的负载，而且搅油引起的热损耗也给电机的效率带来很大影响。 采用什么种类的油来做压力补偿也是经常考虑的一个问题，关系到的问题包 括：油的温度特性、油是否会被电机极化、很高油压下绝缘自粘胶带是否会稠化， 油的粘度影响效率。液压油、变压器油以及食品等级的矿物油都被应用到充油电 机中。 同时，存在在定子侧的问题在于，由于，定子绕组的存在，届时充满油的情 况下，一旦转动起来，绕组里损耗的功率也不少，而且整个流动层面将呈现紊流 状态，为了实现转子和定子间的油以较少损耗的层流状态，需要两侧都有光滑面； 前文提到的保护筒类型的电机因为定子绕组完全被套筒包住，因此可以满足要 求。对于一般内部形状的直流无刷电机，采用环氧树脂填充整个定子绕组；在操 作的时候仍要注意采用抽真空灌注，保证整个填充体积内没有气泡，因为在深海 高压下，封闭气泡将不可避免被压力挤爆【l ”。 ( 3 ) 电机的密封技术以及动力、控制线密封、连接方法 关于水下充油电机的密封，为了防止水进入电机内腔，必须进行密封。电机 采用自动压力补偿器保证内部油压略大于外部压力，超出的部分为弹簧的压力， 一般小于1 公斤大气压，因此对于电机壳体密封的要求来说一般的密封件都能 满足要求，关键要考虑的问题在于密封件材料的选择，不能允许在高油压下有过 大的收缩形变。 电机壳体密封的位置包括前后端盖，螺栓连接处，电机伸出轴以及动力、控 9 浙江大学顽上学位论文 制线、充油口混合接口。前后端盖和螺栓连接处均采用0 型圈密封：最薄弱的环 节是它的伸出轴，由于伸出轴相对于电机的壳体一直在转动。有许多方法应用于 旋转密封，包括动密封、隔离腔等等都被国内外文献提及。出于简单的考虑，本 课题现在的试验样机采用旋转轴唇形密封圈，但它的使用范围在于工作压力小于 0 05mpa ，因此需要调整压力补偿器的弹簧压力所产生的压强小于0 o 5mpa 电机需要8 根线，包括a ，b ，c 三相供电线，sa ，sb ，sc 三根霍耳 元件连出线( 用于转轴位置反馈) ，+ ，一两根电机内部控制电路供电线。这些 线需要通过接插件的方式引入电机内部。为了确保水或油不会通过电线皮与电线 芯之间的间隙渗入，需要采用弹性环密封的方案，确保接插件在承受6 0 m p a 的 外压情况下不漏。因为伸出线太多，没有相应的水密接插件，主要是水密接插件 中相应的橡胶体需要特制。一方面，这里的试验考虑用自粘式绝缘胶带先分别包 住各条线，再整体包住，然后利用水密接插件的旋转夹紧装置压紧橡胶体。另一 方面，考虑特制8 个口的橡胶体。出于避免普通电线或者一般焊接处接触水的考 虑，将电机伸出线在电机壳体内部与专用水下连接电缆进行焊接，也就是将所有 的电机伸出线和焊接处都置于充油环境下。 ( 4 ) 电机的参数、效率检测方法，实际的条件模拟 电机的参数、效率检测以及在实际条件进行模拟是整个课题的关键任务，毕 竟不同于普通环境下，深海环境下的高压水环境限制了很多设备的应用。 普通环境下电机的检测一般使用测功机，通过磁滞力变化或者改变电阻等等 手段可以使得电机的输出负载发生变化，从而得到不同转速下电机的输入电流、 输入电压以及输出功率等等【l l 。 到目前为止，仍然没有对水下电机的动力性模型有准确的分析，水下电机的 动态相应特性并没有完全被理解和掌握。因此，在控制水下运载器的运行控制系 统中，有很多不确定因素，这一部分需要建立起三维，三个轴向的力、力矩以及 流动的动力学模型来分析 1 3 1 。 除此之外，在水下进行电机检测也需要特殊设计检测工具，本课题中，因为 需要在深海环境中做实际试验，我们采用在高压舱中作试验的方法，然而，封闭 的高压舱并不能告知任何发生在其中的信息。需要建立起可测量以及相应得函数 关系从而得出电机的某些特性。 1 4 本章小结 本章概述了国内外深海电机的研究和发展情况，并对目前研究状况和成果做 了分析总结，提出了通常深海电机设备设计过程中面临的问题，包括压力问题、 o 浙江大学硕士学位论文 防水要求等等；从而引出了本论文的研究目的、意义等，并阐述了所要开展的主 要研究工作。 以下章节，着重于电机密封、供油、参数测试以及环氧密封工艺等部分展开 论述；并进行了f l u e n t 仿真，搭建了深海模拟测试平台，从而探索解决深海 作业工具仿真、测试方法等关键技术难题。 浙江大学硕士学位论文 第二章深海电机的结构研究 2 1 引言 电机工作在深海环境下，在展开设计研究工作前，必须确定采用什么样的电 机( 交流或直流，同步或感应) 作为电机本体；然后确定抗压方式，最后考虑配 油配电密封问题。 本论文中考虑到各类电机的优缺点 2 3 1 ，选择无刷直流电机作为电机本体。 在抗压问题上，由于需要在大深度下工作，所以不采用耐压壳体的方法，改为采 用压力补偿的方式，并对线圈耐压问题用环氧树脂灌注工艺进行了处理；同时研 究了各种补偿方式，最终选择了弹簧压力补偿器作为压力补偿装置，这能够保证 电机容腔存在对外面的正压力，使得外面的海水不会渗透到电机中去。同时，针 对这种补