楊美娟

目前井下大型設備的冷卻方式主要分為風冷與水冷兩種，井下工作環(huán)境十分復雜，有時需要在深井工作時，設備附近空氣稀薄，空氣流通較少，風冷作用效果不佳，因此水冷是首選冷卻方式。由于井下供配電較為復雜，因此許多設備都配有蓄電池作為備用電源或低壓供電電源。冷卻水泵的供電一般也多為低壓蓄電池，因此水泵的供電電壓一般為12V/24V的直流電。目前的許多設備由于發(fā)熱量的不同導致需要的水泵流量、揚程參數(shù)不盡相同。甚至需要設計多個水路系統(tǒng)來解決散熱。為此設計一款性能較為充足的水泵來滿足不同工況的需求就顯得十分重要。

本文主要設計一種高效的井下的低壓冷卻水泵，該水泵的泵頭性能優(yōu)于市場上的絕大數(shù)產(chǎn)品，采用控制器與電機分離的方案解決自身發(fā)熱量大的問題，每個部件均采用密封設計，可以實現(xiàn)IP68的防護等級。最終通過實驗驗證水泵的性能曲線以及可靠性。

1泵頭設計及仿真

水泵的泵頭性能直接決定了整個水泵系統(tǒng)的設計，根據(jù)水泵的設計原理要想達到預期的設計需要根據(jù)目標參數(shù)不斷調(diào)整葉輪性能，水泵的流量與轉速的三次方成正比，水泵的流量與轉速和葉輪的截面積成正比。本文設計的水泵要求在14米揚程能滿足130L/min的水流量，行業(yè)內(nèi)的管道口通常有1英寸與1.5英寸兩種規(guī)格，為了做到大流量輸出且與行業(yè)標準兼容，水泵的管道進出口為38mm，根據(jù)電機的定子沖片尺寸限制葉輪整個腔道外徑不能超過90mm，因此葉片數(shù)量為6，外徑為73mm，基于扁平化的設計角度出發(fā)，葉輪高度選擇8mm。

對圖1設計進行流道仿真，仿真結果如圖2所示。由仿真結果可以看出水泵的流道順暢，基本沒有氣蝕以及渦流的存在，仿真結果只能作為對流體流道運行趨勢好壞的一種鑒別依據(jù)，實際中需要通過實驗驗證設計的可行性。

2電機結構設計

電機設計采用水泵與電機分離的方式，該方式相比于傳統(tǒng)的濕轉子的方式來說具有結構簡單、振動較小等優(yōu)點，密封件采用的是油封或者機械密封。在泵頭與電機連接處有滴水孔的設計，防止機械密封泄漏量較大時水直接流入電機內(nèi)造成電機燒壞的情況。電機的泵頭位置與管道的鏈接采用喉箍鎖緊。電機的機殼采用擠壓成型工藝，這樣可以極大地節(jié)省模具的費用。在機殼上有一些散熱筋可以很好地用于降低電機溫升，提升電機的可靠性與壽命。電機與控制器的設計采用分離方案，因此三相繞組U、V、W的出線需要解決密封的問題。本文的設計采用防護等級為IP68的接插件或者鎖緊器作為連接方式。這樣保證了整個水泵本體的密封等級可以做到IP68的防護等級，具體的結構設計參考下圖3所示。

3控制器結構設計

控制器的供電電壓為24V直流電壓，且需要與電機的U、V、W三相相連實現(xiàn)電機驅動控制，因此對外接口需要有24V的VBAT+、VBAT-以及三相U、V、W。三相線束可以通過一個3pin的標準接插件完成，電源供電線可以通過2pin的接插件完成。為了滿足不同需求，可以將2pin的電源接插件上用于自鎖的兩個小口引出CAN通信信號或者485通信信號，實現(xiàn)外部通信調(diào)速的目的。

散熱設計則采用伸出散熱筋的方式實現(xiàn)自然冷卻，安裝固定則是通過底板伸出的四個螺釘孔完成，頂板與底板間用O型橡膠圈壓緊，兩個端面的連接由于O型圈有0.3-0.5mm的壓縮量，當靠螺釘固定壓緊時可以實現(xiàn)IP68的防護等級。

如圖5為水泵系統(tǒng)設計的3D示意圖，電機與控制器連接通過接插件完成，控制器的電源線束引出直接接到蓄電池上，可以根據(jù)環(huán)境的需求調(diào)節(jié)線束的長度。整體設計安裝固定方式十分方便，電機模塊與控制器單體都采用IP68防護等級設計，連接的接插件也是可以滿足IP68的防護等級，因此系統(tǒng)具備IP68的防護等級，具備潛水泵的防護要求。

4控制器熱仿真

控制器的溫升以及可靠性主要取決于溫升，對于水冷系統(tǒng)的發(fā)熱量往往需要能在85℃的環(huán)境溫度下工作，且溫升需要控制在40K以內(nèi)。這就對熱設計提出了挑戰(zhàn)。由于沒有其他的散熱處理，因此需要靠自身的散熱筋解決散熱問題，控制器的發(fā)熱源主要取決于MOSFET的發(fā)熱，因此MOSFET上均采用貼近散熱片散熱。MOSFET與散熱片之間的導熱材料選取導熱系數(shù)盡可能高的導熱材料，這樣也有利于熱量的傳輸與分散。發(fā)熱源過多地集中在一起往往會造成局部溫度過高，這是非常危險的，因此在MOSFET的布局上也是盡可能地分散開來。這樣可以有效地利用控制器外殼均勻散熱。

5實驗驗證

根據(jù)設計要求做出相應的樣機做性能測試，如圖6在實驗臺上搭建測試環(huán)境，主要測試不同轉速下水泵的流量、揚程以及輸入功率。繪制系統(tǒng)的Q-H曲線以及N-H曲線。水泵的轉速測試具有局限性，無法直接獲取，為了能夠得到水泵的真實轉速，采用控制器外置測試相電流頻率的方式計算電機轉速。

本文針對井下低壓冷卻水泵設計，采用該效率的水泵泵頭與流道設計提升水泵系統(tǒng)整體的性能，采用接插件、鎖緊器等連接方式保證出線端的防護，通過機械密封與油封、密封圈等設計解決殼體部件的連接。整體的密封等級達到IP68，通過熱仿真修正控制器散熱結構，最后通過測試實現(xiàn)了14米揚程130L/min的工況要求，且效率達到62%。

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