艦用風機電動機設計

劉　擘

（海軍駐712所軍代室，武漢 430064）

艦用風機電動機設計

劉擘

（海軍駐712所軍代室，武漢 430064）

針對艦用風機電動機的特點和運行要求，研制了一臺10 kW風機電動機樣機，試驗結果表明性能滿足要求，尤其振動噪聲遠低于指標要求，驗證了優化設計的可行性和正確性。該方案采取的減振降噪措施和分析方法對艦用輔機減振降噪設計有良好的指導作用。

風機電動機減振降噪優化設計;

0　引言

隨著我國綜合實力的增強，國外艦船在我國南海、東海等海域的監聽活動日益增加，國家對低振動、低噪聲艦船的需求日益增加。而輔機設備（風機電動機、空壓機等）在全船的數量較多，其某些特征頻率直接或間接的影響聲吶等探測儀器的有效運行；同時這些設備的運行性能恰恰有時又被設計人員所忽視，給整條艦船的減振降噪帶來諸多的不便。

本文針對艦用推進電機冷卻系統用風機電動機開展優化設計，從減振降噪的角度對其控制方式和安裝型式進行分析和試驗對比，為輔機的減振降噪設計提供技術支持。試驗結果表明，達到了設計目標。

1　風機電動機技術參數和要求

a）額定輸出功率：10 kW

b）額定電壓：三相AC 220 V（通過變頻器供電）

c）額定頻率： 70±0.5 Hz

d）額定轉速： 2100 r/min

e）效率： ≥89%

f）功率因數：≥0.86

g）轉差率：≤5%

h）絕緣電阻：≥50 MΩ

i）防護形式：IP44

j）結構形式：臥式，水平懸掛安裝；有底腳（IMB35）

k） 振動速度級指標：10～10 kHz頻率范圍內，彈性安裝時振動速度有效值的平均值≤0.45 mm/s

l）振動加速度級指標：彈性空載下≤ 120 dB （10 Hz～8 kHz）

2　電動機設計及降噪措施

從GB10068-2008和GJB 763.2-1989可以看出，該風機電動機的主要設計難點是對振動和噪聲的控制和抑制。同時該風機電動機采用變頻器供電，主要振動源頻率為開關頻率及倍頻和其旁頻，另外就是一階和二階齒諧波引起的齒頻，從降低振動和噪聲的角度看，風機電動機的設計主要合理選擇槽配合，削弱齒頻分量，削弱諧波幅值等方式。

2.1電磁設計上采取的措施

為了達到減少振動和噪聲的目的，電磁設計時采用定子斜槽、采用磁性槽楔。而槽配合選擇是否合理對電機振動噪聲的影響非常大，通過對36/28和36/44不同的槽配合進行對比分析結果見圖1、圖2。

圖1　槽配合36/28 1/3倍頻程圖譜

通過圖1和圖2，可以看出采用36/44槽配合有效的降低了電動機的特征線譜的幅值。

2.2結構設計采取的措施

轉子的動平衡精度對風機電動機的振動噪聲影響非常大，滿足更好的動平衡精度，設計人員往往注重于風機電動機本身的精度，忽視從全局進行分析風機動平衡精度和風機電動機動平衡精度的公差累，導致設計沒有達到預想的效果。

設計時，將風機電動機和風機作為一個整體進行動平衡。

2.3供電電源采取的措施

由于風機電動機由變頻器供電，而變頻器主要振動源頻率為開關頻率及倍頻和其旁頻，同時振動的測試范圍為10 Hz-10 kHz，需盡可能的提高變頻器的開關頻率。

圖3　不同開關頻率下振動加速度1/3倍頻程圖譜對比

根據圖3可以得到，變頻器開關頻率不同時，振動加速度1/3倍頻程圖譜基本重合。主要區別為：開關頻率為5 kHz時，圖譜中存在兩個與開關頻率有關的峰值，分別為5 kHz及10 kHz；開關頻率為7.5 kHz時，圖譜中僅有一個與開關頻率相關的峰值，位于以8 kHz為中心頻率的頻段。開關頻率升至7.5 kHz后，振動加速度幅值有較大程度的下降。

由于功率器件的關斷，通過PMW調制，變頻器輸出存在大量的諧波，特別是高頻段的諧波，對風機電動機的振動的影響非常大，圖5為變頻器輸出加濾波器前后的振動測試結果。

圖4　加濾波器前后振動加速度1/3倍頻程圖譜對比

可以看出加輸出濾波器后，有效的降低了風機電動機高頻段的振動值。

2.4安裝方式采取的措施

由于風機電動機采用IBM35安裝方式，采用彈性法蘭盤和剛性法蘭盤進行對比分析。彈性法蘭盤采用鋼板和橡膠采用模壓成型，保證配合緊密牢固可靠。

根據圖6可以得到，使用不同剛度的彈性法蘭及剛性法蘭時，電機底腳振動加速度總值基本保持不變。轉頻振動則隨法蘭剛度的增加而降低，剛性時底腳振動速度僅0.24 mm/s。各不同剛度的彈性法蘭的內外側，全頻段振動加速度都下降20 dB左右；轉頻振動加速度下降20 dB左右。剛性法蘭則對全頻段振動均基本沒有衰減。但是由于剛性法蘭限制了電機的轉頻振動，因此傳遞到冷卻系統框架時，轉頻振動速度最低。綜合考慮法蘭對電機振動加速度及速度的衰減作用，設計選用剛度更高的彈性法蘭，以滿足兩者兼顧的要求。

圖5　彈性法蘭盤

圖6　不同法蘭下電機底腳振動加速度1/3倍頻程圖譜對比

3　樣機制造和試驗

通過對風機電動機的設計、安裝方式和供電電源等一系列的設計，完成10 kW風機電動機的設計制造，見圖7。

在此基礎上，開展振動噪聲試驗，振動測試設備采用B&K Puls振動噪聲分析儀。

通過對風機電動機的優化設計，風機電動機底腳減振器上下振動加速度有約40 dB衰減，主要衰減頻段為1 kHz以上頻段。振動速度由0.898 mm/s降低至0.142 mm/s，振動加速度為115 dB，振動速度空氣噪聲為72 dB(A)，達到設計要求。

圖7　風機電動機樣機及安裝圖

圖8　減振器上下振動加速度1/3倍頻程圖譜對比

4　結論

本文通過對艦用風機電動機的優化設計及采取相關減振降噪措施，試驗結果表明是有效的。對站在系統全局的角度開展輔機的減振降噪頻率無疑具有較高指導價值。

[1] 王鳳翔. 交流電機的非正弦供電[M]. 北京: 機械工業出版社，1997.

[2] 陳永校等. 電機噪聲的分析和控制[M]. 浙江: 浙江大學出版社.

[3] 陳世坤.電機設計[M]. 北京:機械工業出版社，2001.

Design of Fan Motor for Warships

Liu Bo
(Naval Representatives Office in 712 Research Institute，Wuhan 430064，China)

Aimed at the characteristics and operation requirements of a fan motor，a 10 kW prototype motor is designed and manufactured. Experimental results show that the prototype meets the performance requirements，and its vibration and noise are much lower than the requirements of indicators，which verifies the feasibility and correctness of the optimization design. Thus，the analysis method for the reduction of vibration and noise mentioned in this paper is helpful and valuable for low vibration and noise design of an auxiliary machine on warships.

low vibration and noise; fan motor; design optimization;

TM32

A

1003-4862（2015）12-0041-03

2015-09-07

劉擘（1980-），男，工程師。研究方向：艦船電氣。