艦用變頻異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

孫良友

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101）

艦用變頻異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

孫良友

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101）

針對(duì)艦用變頻異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一臺(tái)200 kW 690 V艦用六相變頻異步電動(dòng)機(jī)，同時(shí)對(duì)方案經(jīng)過(guò)了路算和基于Ansoft simplore+Maxwell場(chǎng)路耦合的有限元分析，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)性能滿(mǎn)足要求，尤其振動(dòng)噪聲遠(yuǎn)低于同類(lèi)型艦用低噪聲電機(jī)，驗(yàn)證了方案的可行性和正確性。該方案采取的減振降噪措施和分析方法對(duì)艦用變頻供電的異步電動(dòng)機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)有良好的指導(dǎo)作用。

低振動(dòng)噪聲 變頻異步電機(jī) 場(chǎng)路耦合 電磁激振力

0 引言

與三相系統(tǒng)相比而言，多相系統(tǒng)在提高電機(jī)利用率、改善磁勢(shì)波形、利用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)大功率以及提高系統(tǒng)的可靠性上有較大優(yōu)勢(shì)而被艦船系統(tǒng)廣泛采用[1]。艦用多相變頻電機(jī)由于供電電源引入了一系列高頻時(shí)間諧波分量，電流中高頻諧波電流分量與基頻電流相互作用，產(chǎn)生明顯的高頻振動(dòng)特征，其高頻及其邊頻帶諧波頻譜分布范圍較寬，給諧波特征的抑制和電機(jī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。

本文針對(duì)某一臺(tái)艦用六相690V 200kW變頻異步電動(dòng)機(jī)，從減振降噪的角度對(duì)其進(jìn)行了低噪聲電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)適用于變頻電機(jī)運(yùn)行原理的設(shè)計(jì)程序?qū)υ摲桨高M(jìn)行了電磁路算，同時(shí)采用了基于Ansoft simplore+ Maxwell場(chǎng)路耦合瞬態(tài)時(shí)步法的有限元仿真方法進(jìn)行了互相驗(yàn)算和試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和要求

1.1 電機(jī)基本性能要求

電機(jī)類(lèi)型：六相雙Y移30°變頻異步電動(dòng)機(jī)

供電電源：電壓源逆變器供電

額定功率：200 kW

額定電壓：690 VAC

額定電流：105 A

極 數(shù) ： 6

額定頻率：25.56 Hz

額定轉(zhuǎn)速：500 r/min

負(fù)載特性：0 r/min～500 r/min恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

額定轉(zhuǎn)矩： 3820 N·m

振動(dòng)加速度（空載彈性安裝）：≤110 dB(A)噪聲Lp（A）∶ ≤75 dB(A)

2 電磁方案設(shè)計(jì)及降噪措施

從電機(jī)性能要求分析可以看出，該變頻電機(jī)的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)還是對(duì)振動(dòng)和噪聲的控制和抑制。變頻電機(jī)主要振動(dòng)源頻率為開(kāi)關(guān)頻率及倍頻和其旁頻，另外就是齒頻，從減振的角度看，電機(jī)電磁設(shè)計(jì)主要削弱齒頻分量，具體就是降低諧波磁密，增大漏抗和削弱諧波幅值等方式。

2.1 電磁設(shè)計(jì)上采取的措施

為了達(dá)到減少振動(dòng)和噪聲的目的，電磁設(shè)計(jì)時(shí)采用定子斜槽、繞組多相移相、定子采用磁性槽楔、合理增大氣隙及鐵芯長(zhǎng)度，通過(guò)多方案多參數(shù)優(yōu)化最終確定了電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)上采取的措施

變頻供電下，由于頻帶范圍增大，容易引起電機(jī)共振，而鐵芯疊壓質(zhì)量，剛度和模態(tài)對(duì)電機(jī)振動(dòng)，尤其對(duì)低頻分量振動(dòng)的影響特別大。

為了保證定轉(zhuǎn)子齒部彈開(kāi)度，對(duì)齒壓板采用了整體鋼板結(jié)構(gòu)直接加工，并加強(qiáng)了齒壓板的強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)子鼠籠條和端環(huán)采用銅合金，導(dǎo)條與端環(huán)之間采用中頻感應(yīng)焊，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用鍥緊工藝進(jìn)行固定，同時(shí)提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度，減少轉(zhuǎn)頻對(duì)振動(dòng)的影響。

為了降低空氣噪聲，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上不設(shè)置風(fēng)扇和平衡環(huán)，冷卻采取空水冷形式，內(nèi)循環(huán)風(fēng)通過(guò)兩端端環(huán)處導(dǎo)條形成的風(fēng)壓差產(chǎn)生，平衡在轉(zhuǎn)子壓圈內(nèi)圓處通過(guò)配重法。

為減少繞組端部振動(dòng)，繞組端部通過(guò)端箍和膨脹材料多重綁扎固定方式。

3 計(jì)算和有限元分析

為分析電機(jī)本體設(shè)計(jì)的正確性，進(jìn)行了電機(jī)的電磁路算和正弦供電下電磁場(chǎng)相互校算，尤其重點(diǎn)關(guān)注齒頻分量。

圖1為電機(jī)分析模型磁力線分布云圖，圖2只列出氣隙磁密波形及FFT分析，表2為變頻電機(jī)不同計(jì)算方法計(jì)算的主要性能參數(shù)，表3為變頻電機(jī)的變頻特性。

表2 不同計(jì)算方法主要性能結(jié)果對(duì)比

圖1 六相電機(jī)分析模型磁力線分布云圖

為了分析變頻供電下開(kāi)關(guān)頻率對(duì)振動(dòng)噪聲的影響及有限元分析，采用ansoft simplore中搭建變頻器拓?fù)潆娐罚瑢㈦姍C(jī)的2D有限元模型導(dǎo)入到Simplorer中，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)路耦合仿真。圖3為ansoft simplore+Maxwell場(chǎng)路耦合模型，載波頻率設(shè)置為2 K，時(shí)間步長(zhǎng)為1e-4，2.5 s前仿真電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，然后在2.5 s突加額定負(fù)載運(yùn)行4 s，保存時(shí)間為3.2 s到4 s共8000個(gè)點(diǎn)。限篇幅，只給出部分波形，圖4為電流波形及其中一相的FFT分析，圖5為轉(zhuǎn)距-時(shí)間變化曲線，圖6和圖7為正弦和非正弦供電下電機(jī)徑向電磁力頻譜FFT分析。

從表2可以看出，計(jì)算和仿真結(jié)果表明：有限元分析和路算吻合，具有很好的精度并滿(mǎn)足工程要求。

從表3的變頻特性來(lái)看，隨著頻率的變化，輸出轉(zhuǎn)矩、定子電流和轉(zhuǎn)子頻率也基本保持不變，符合異步電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩變頻特性規(guī)律。從整個(gè)頻率段來(lái)看，在變頻供電下，電流比純正弦電源供電大，在低頻下電機(jī)可以以較大輸出轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，且電氣性能在整個(gè)頻率段也符合要求，表明電機(jī)方案可行，滿(mǎn)足電氣性能。

從圖4可以看出：

1）非正弦供電下電流仿真計(jì)算值為101 A，與前面路算和正弦供電場(chǎng)算相吻合，符合工程實(shí)際。

圖2 電機(jī)氣隙磁密波形及FFT分析

圖3 六相正弦供電ansoft simplore+Maxwell場(chǎng)路耦合模型

表3 變頻電機(jī)主要變頻特性

25 106.19 3876.52 197260.9 485.93 89.7 0.499 0.704 25.56 106.2 3876.23 201792.3 501.13 89.8 0.51 0.704

圖4 電流波形及其中A相FFT分析

圖5 轉(zhuǎn)距-時(shí)間變化曲線

2）非正弦供電情況下與正弦供電相比，電流波形趨勢(shì)一致，但非正弦供電下啟動(dòng)穩(wěn)定后電流波形毛刺明顯增多，諧波含量較多。

從圖5可以看出，整個(gè)啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中相比與正弦供電情況電磁轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)范圍較大。由于電源諧波的影響，會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生一系列的脈振轉(zhuǎn)矩，因而其電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性變大。

圖6 正弦供電下電機(jī)徑向電磁力頻譜FFT分析

從圖6和圖7可以看出，非正弦供電條件下與正弦供電條件下，主要的電磁頻率一致，不會(huì)隨供電方式的不同而不同，頻率49.93 Hz和51.24 Hz同為2倍電源頻率486 Hz，436.1 Hz，539.3 Hz 和486.2 Hz，435.6 Hz，537.4 Hz同為齒頻， 同時(shí)在非正弦供電條件下，電磁力中出現(xiàn)了1倍開(kāi)關(guān)頻率及2倍開(kāi)關(guān)頻率±1倍的基波頻率，這與變頻供電理論相一致。表明采用此分析方法進(jìn)行非正弦供電下電機(jī)的有限元分析是可行的。

圖7 為非正弦供電下電機(jī)徑向電磁力頻譜FFT分析

4 試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的效果和正確性，進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。振動(dòng)測(cè)試設(shè)備采用B&K Puls振動(dòng)噪聲分析儀。圖8為樣機(jī)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，表4為電機(jī)主要性能計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：電機(jī)性能符合設(shè)計(jì)要求，其中結(jié)構(gòu)噪聲為106 dB，空氣噪聲70 dB達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。表明設(shè)計(jì)和計(jì)算吻合。

5 結(jié)論

本文所述的針對(duì)艦用變頻低噪聲變頻異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及相關(guān)減振降噪措施試驗(yàn)結(jié)果表明是有效的。

基于Ansoft simplore+Maxwell場(chǎng)路耦合有限元分析非正弦供電下的異步電機(jī)的振動(dòng)噪聲是可行的。采用該方法不僅可以看出開(kāi)關(guān)頻率及附近頻率對(duì)振動(dòng)噪聲的影響，而且為電機(jī)的模態(tài)分析和如何采取措施如提高供電電源的正弦度和削弱開(kāi)關(guān)頻率及附近頻率徑向電磁力的幅值，低階頻率盡可能遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)頻率及附近頻率無(wú)疑是有意和具有指導(dǎo)價(jià)值。

表4 變頻電機(jī)主要性能計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比

圖8 樣機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)（彈性安裝）

[1] 陳林. 多相感應(yīng)電機(jī)空間電壓矢量選擇與控制研究［D］.華中科技大學(xué)博士論文, 2003.

[2] 王鳳翔. 交流電機(jī)的非正弦供電［M］. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[3] 陳永校等. 電機(jī)噪聲的分析和控制［M］. 杭州∶ 浙江大學(xué)出版社.

[4] S.P. Verma, A. Balan. Determination of Radial forces in Relation to Noise and Vibration problems of squirrel-cage induction motors, IEEE Transactions on Energy.

Design of Variable-Frequency Asynchronous Motor for a Warship

Sun Liangyou

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

According to special design requirement and characteristics of non-sine power supply of a motor, a 690 V 200 kW six phase variable-frequency motor for warships is designed. Electromagnetic calculation and finite element analysis coupling electromagnetic field-circuit based on Ansoft simplorer +Maxwell are applied to analyze the program, and its prototype motor test is also done. Experimental results show that the motor's performance is satisfied to requirements, especially its vibration and noise are much lower than the same type low vibration and noise motor for warships, and verify its design is feasible and validity. The analysis methods and vibration reduction measures mentioned in this paper are helpful and valuable for low vibration and noise for an inverter-fed asynchronous motor design.

low vibration and noise; variable-frequency asynchronous motor; field-circuit coupled

TM346

A

1003-4862（2015）08-0076-05

2015-07-07

孫良友(1977-)，男，碩士，工程師。專(zhuān)業(yè)方向:艦船電氣。