深海压力自适应充油电机的研究

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；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2000米，则其内外压均等于20MPa。 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。