潜水泵电机出现扫膛故障的原因分析与对策.pdf

运行与保护 E A 电札 与拨芾J 应用2 0 1 5 4 2 1 2 潜水泵 电机 出现扫膛故 障的原 因分析与对策 水 操松林 韩彩红 张高正 黄永远 1 合肥通用机械研究院 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 2 安徽普菲克电机电泵制造有 限公 司 安徽 合肥2 3 0 0 9 4 摘要 分析了某钾肥厂冷却水循环系统潜水泵电机出现扫膛故障的原因 电机转子发热 如不能及 时冷却 必然使其温度升高 电机出力下降 同时因转子温度沿轴线方向不一致 转子受热膨胀将呈纺锤形 当转子膨胀量超过气隙时 就和定子内腔壁接触摩擦 即出现 扫膛 现象 大功率干式潜水电机应配置风 扇与气水换热器组成的冷却系统 电机内腔中空气通过风扇驱使强制循环流动 在流过转子内缝隙时吸收 转子产生的热量 在流过换热器处时 与外界冷却水进行热交换 释放出热量 这样导出转子的热量 就解 决了电机转子冷却问题 在高海拔地区使用的潜水电机 应对 电机的设计功率进行修正 关键词 潜水泵 故障 扫膛 中图分类号 T M 3 0 7 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 6 5 4 0 2 0 1 5 1 2 0 0 7 0 0 4 The Ana l y s i s a n d Co un t e r m e a s ur e s o f St a t o r S c r a p pi n g Ro t o r f o r S ub m e r g e d Pump M o t o r C AO S o n gl i n HAN Ca i h o n g ZHANG Ga o z h e n g HUANG Y o n gy u a n 1 H e f e i G e n e r M Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e H e f e i 2 3 0 0 3 1 C h i n a 2 A n h u i P o f o c o Mo t o r P u m p s Ma n u f a c t u r i n g C o L t d H e f e i 2 3 0 0 9 4 C h i n a Ab s t r a c t T h e f a u l t r e a s o n s o f t h e f ri c t i o n b e t w e e n s t a t o r a n d r o t o r o f s u b me r s i b l e mo t o r o f t h e c e r t a i n p o t a s h f e rt i l i z e r f a c t o r y we r e a n a l y z e d A t h i g h a l t i t u d e s l o w a i r p r e s s u r e a n d t h i n a i r e f f e c t o f r o t o r n a t u r a l c o o l i n g wa s l e s s Mo t o r r o t o r f e v e r i f n o t t i me l y c o o l i n g mu s t ma k e i t s t e mp e r a t u r e ris e t h e mo t o r o u t p u t d e c l i n e At t h e s a me t i me b e c a u s e t h e r o t o r t e mp e r a t u r e a l o n g a x i s d i r e c t i o n i n c o n s i s t e n t t h e mi d d l e p a r t w a s h i g h e r t h a n a t b o t h e n d s t h e r o t o r h e a t i n g e x p a n s i o n wo u l d b e a s p i n d l e W h e n i t s e x p a n s i o n s i z e mo r e t h a n t h e a i r g a p t h e r o t o r a n d s t a t o r i n n e r c a v i t y w a l l c o n t a c t a n d f r i c t i o n n a me l y s t a t o r s c r a p p i n g r o t o r Hi g h p o w e r a n d d r y t y p e s u b me r s i b l e mo t o r s h o u l d b e c o n fig u r e d c o o l i n g s y s t e m C o mp o s e d o f f a n a n d t h e a i r wa t e r h e a t e x c h a n g e r T h e a i r i n mo t o r c h a mb e r d riv e n t h e fan f o r c e d c i r c u l a t i o n fl o w wh e n i t fl o we d t h r o u g h i n t e r n a l c h a n n e l o f t h e r o t o r t h e a i r a b s o r b e d t h e h e a t g e n e r a t e d b y t h e r o t o r W h e n i t t h r o u g h t h e h e a t e x c h a n g e r t h e a i r e x c h a n g e d h e a t w i t h o u t s i d e wa t e r a n d r e l e a s e d t h e h e a t S u c h r o t o r h e a t b e e x p o rte d t h e mo t o r r o t o r c o o l i n g p r o b l e ms b e s o l v e d I f s u b me r s i b l e mo t o r s u s e d i n h i g h a l t i t u d e a r e a i t s d e s i g n p o w e r s h o u l d b e mo d i f y l i k e g e n e r al mo t o r s Ke y wo r ds s ub m e r s i bl e pump f a ul t s t at o r s c r ap pi ng r ot or 0 引 言 潜水泵是 由潜 水电机和泵 组成 的一体化设 备 潜水泵具有以下特点 1 结构紧凑 维护方便 2 安装便捷 不需要厂房 土建安装费用低 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 3 B A F O 1 B 0 1 通讯作者 韩彩红 一 7 0 一 3 不怕水淹 起动时不需要灌泵 因此起 动 灵活 4 运转稳定 运行时 噪声低 振动小 安 全可靠 易于 自动控制 基于人们对上述优点 的认识 以及 随着潜水 泵的大型化和潜水泵可靠性 安全性的提高等 潜 运行与保护 E M C A 迫毋 乙 与 空 制 应用2 0 1 5 4 2 1 2 设置泵效轮 或利用所 充水 的压差 使所充水 循 环冷却 通过布设在 内腔 的温度传感器监控 绕 组温度 防止缺 水 引起 电机烧毁 对 湿式 电机 来说 保证 电机在 设计 温度下 工作 是 比较 容 易 实现的 干式 潜水 电机则有所 不 同 干式潜 水 电机内部仍然为空气 电机 的冷却条件较湿式 电 机差 干式潜水电机一般按 F级绝缘 轴承黄油 润滑 防护等级 1 P 6 8设计 电机的设计工作温度 4 0 F级绝缘温升 1 1 5 K 极端情况下干式潜水 电机 内部线圈温度不得超过 1 5 5 c IC 而滚动轴承 黄油润滑 温度应不超过 9 5 于式潜水 电机除定子外壳水 冷外 内部靠 仅 有的空气导热通过 电机端盖等 向外散热 以及 通 过电机轴向外界传热 对小功率电机来说 电机 发热不多 可实现热平衡 工作时温度可控制在要 求的范围内 对大功率 电机来说 电机转子上的 发热量比较多 如不采取辅助的导热措施 电机内 部热量难以向外界散发或传递 电机 内部温升很 快就超标 进而使电机失效 因此 大功率干式电 机 需要设置换热 系统 使 内部气体循 环流动 通 过气水换热来降低转子的温升 青海某钾肥厂使用的 6台潜水泵均为干式潜 水电机 且 电机设计功率为 2 8 0 k w 经分析 该 项 目6台泵出现故障有两方面的问题 1 泵选 型时 没有考虑海拔高度对干式潜 水电机性能的影响 J 高海拔 则气压低 环境 温度也略有降低 高海拔影响空气的绝缘强度 和空气散热 海拔高度在 1 0 0 0 m以上时 每 升 高 1 0 0 m所需 的环境 温度降低补偿 值规定按 温 升极 限的 1 折算 如果最高环境温度的降低值 不足以补偿 由于海拔高度提高所造成的冷却效果 的降低 应对 电机的额定输 出功率进行修正 青 海某钾肥厂的海拔高度为 2 8 0 0 m 夏季最高气温 3 0 干式潜水电机在南方低海拔地 区制造 但 在运抵高海拔现场后 内部气体由于压差作用 会 通过机封处缓慢渗漏而变得稀薄 密度变小 从而 影响传热 使电机 的设计功率降低 人们对这 一 点的认识 常被潜水电机浸泡在水中这一表面现 象所蒙蔽 忽略考虑潜水 电机内腔空气变稀薄而 影响电机出力的事实 对空气冷却 的常规三相 电机 其额定 功率输 出值降低可按每欠补偿 1 K 功率 降低 1 计算 一 72 一 本工程项 目中 如果电机按完全风冷考虑 其所需 的温度补偿值 和额定功率下降值 A t h一1 0 0 0 A i 一 4 0一 t 2 8 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 5一 4 0 3 0 1 0 7 A N h一1 0 0 0 A i 一 4 0一 t N 1 0 0 2 8 0 0 1 0 0 0 x 0 0 1 1 5一 4 0 3 0 X 2 8 0 1 0 0 2 9 9 6 k W 式中 海拔高度 2 8 0 0 m 每提高 1 0 0 m海拔高度时所需 的温 度补偿值 A i 0 0 0 0 1 电机温升 极限 0 0 1 1 5 K m 电机 温升极 限取 1 1 5 K 即设计温度 4 0 加 上 F级绝缘温升 1 0 5 K 电机定转子 线圈最高耐热 温度 1 4 5 使 用地 点环境 温度 3 0 温 升差 值 即为 1 4 5 3 0 1 1 5 K 使用地点的环境温度值 3 0 也就是说 正常设计 2 8 0 k W 的三相电机 在 青海某钾 肥 厂现场 使用 其 输 出功率 至少 降低 2 9 9 6 k W 鉴于本项 目为潜水电机 外部冷却较 常规电机有利 在无资料可查 无经验可循的情况 下 按一半考虑 正常设计的潜水 电机在现场功率 下降 1 5 k W 2 电机设计本身存在缺陷 未进行热平衡 校核 所用 6台潜水泵电机定子外壳为铸铁件 没有设计气水换热 系统 未充分考虑电机 内部转 子散热 设计方案如图 3 a 所示 电机定子硅钢片发 热温度会升高 通过接触 传热 有一部分热量会传递到电机外壳体 电机 外壳在外接水 泵送水 的冷却下 温度基本为常 温 因此 从外而内 定子虽有温度上升梯度 但总 体来说受到外部水冷却 的限制 即定子的温升有 限 同时在外壳体的约束下定子 内壁的尺寸变化 不会太大 如果受热膨胀 可能会导致定 子内孔 的尺寸变小 转子产生 的热量难 以对外传递 温度上升较 多 在无外界约束的情况下膨胀变形 当温度 达到某 一值 时 转 子 的外径 尺寸 就会 达到定 子 内径的尺寸 即电机气 隙为 0 mm 定 转子接触 从而出现 电机扫膛 现象 电机 扫膛也会产 生热 量 这些热量进 一步加剧铁心 的膨胀变形 形成 迫扎 与粒 刊应用2 0 1 5 4 2 1 2 运行与保护 E M c A 恶 性 循 环 从 电机结构的细节上看 越往转子铁心中部 散热越差 温度越高 越往转子铁心端部 散热相 对好一点 即转 子 中部铁心膨胀 后尺寸 较端部 大 整个转子铁心成纺锤型 这就是对扫膛 只在 铁心中部这种现象的很好解释 3 解决方案 针对这两个原因 从两个方面着手 提 出解决 问题的技术方案 对 电机结构予 以修改 修改后 的结构如图 3 b 所示 1 按照电机设计手册上关于海拔高度对 电 机功率影响的系数计算方法 对 电机的设计重新 校核 适当增加 了硅钢片的数量 保证在高海拔地 区电机设计功率满足泵需求 2 将电机外壳换成碳钢材质 利用槽钢在 电机外壳上焊接 出多个气体 回流通道 相 当于在 电机外壳上加装 了列管式换热器 其次 在 电机 轴上部加装轴 流风扇 让 内部气体循环起来 这 样一来 电机内部 的空气 在风扇 的作用下 从下 部腔体通过转 子铁心与轴 之间 的缝 隙向上端流 动 再通过定子外壳上的回流通道及气隙 回到 电 机下部 内腔 实现气体 的循环流动 气体在通过 定子外壳上的回流通道时与外夹套中的水进行热 量交换 3 将转子铁心与转子轴 问的连接处满焊 以加强轴向外导热的能力 为了验证理论分析及改造效果 在改造后 的 电机定子内壁 中间位置上 粘贴一个i 贝 0 温试纸 在 转子外表面上 中 下位置分别粘贴一个试纸 如 图 4所示 测量定子转子 的实际温度 泵运行 7 h 后 解体检查 测得的温度如表 2 所示 图4 电机定转子上粘贴测温试纸图 表 2改进后 电机 内部温度 测量位置 温度 o E 测量位 置 温度 定子上部位置 6 5 转子上部位置 9 3 定子 中间位 置 7 O 转子 中间位置l O O 定子下部位 置 7 7 转 子下部位置 8 8 从表 2中数据可以看出 1 测得 的转子温度最大 1 0 0 考虑 温度 补偿 1