大型船用感應推進電機設計

戴 勇，朱 軍，鄭宜鋒，韋文武

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大型船用感應推進電機設計

戴 勇，朱 軍，鄭宜鋒，韋文武

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

船用感應推進電機是船舶采用綜合電力推進系統的關鍵設備之一，大型船用感應推進電機設計與常規電機設計具有較大差異。本文從電磁、結構、通風冷卻和絕緣設計等方面開展大型船用感應推進電機設計，并通過10MW感應推進電機樣機的制造和試驗，驗證了設計的合理性和準確性。

大型船用 感應推進電機設計 試驗

0 引言

隨著電力電子器件、變流技術、船東控制系統以及新能源等高新技術的快速發展，船舶電力推進正在經歷著巨大變革。船用電力推進系統因其在綜合利用能源、降低船舶噪聲、提高機動性能、擴大有效艙容、環保等方面的優勢，已成為當今世界高技術船舶動力系統發展的一種主流趨勢，并被廣泛應用于豪華游輪、火車渡船、供應船、支持船、布纜船、海洋浮式平臺、集裝箱船、液化天然氣（LNG）運輸船、油輪等高技術民用船舶和各類水面和水下艦船。

推進電機是船舶綜合電力推進系統的關鍵設備之一，由推進變頻器供電，直接或通過舵槳驅動螺旋槳。感應推進電機采用鼠籠式感應電動機，與電勵磁同步電動機和永磁電動機相比具有結構簡單、轉子基本無維護等自身天然優勢特點，但常規的設計方法，不能滿足推進電機具有高轉矩密度、低振動噪聲和大氣隙強抗沖擊性等特點，被越來越多的船舶電力推進系統采用。

1 大型感應推進電機設計

推進電機要求體積小、重量輕，并安裝在船體，船舶航行存在沖擊振動以及意外的撞擊，因此大功率感應推進電機設計需采用先進的設計方法，才能滿足船舶電力推進系統的要求。

1.1 電磁設計

1.1.1 相數選擇

大功率船舶由于推進功率較大，而變頻器受電力電子器件的影響，不可能承受較高的電壓和較大的電流。在電機容量一定和相電流(或相電壓)不變的情況下，電機定子相數增加，可以降低供電電壓(或電流)；同時避免了功率器件的串并聯。由于相數增加，多相電機在定子缺相時可降額繼續運行而不必停車，使系統的可靠性、容錯性提高。m相電樞繞組合成的由μ次時間諧波電流產生的ν空間諧波磁勢諧波為：

通過磁勢分析，相數采用多相，比三相存在先天優勢使得影響較大的空間諧波次數增大，且幅值下降，轉矩脈動下降。同時多相電機采用集中整距繞組可以最大限度的利用繞組系數。

1.1.2 磁路設計

磁路計算主要有氣隙磁勢計算、齒磁勢計算和軛磁勢計算。氣隙磁勢計算方法與常規基本相同。常規設計公式中使用的軛部磁壓降校正系數計算軛磁勢和采用1/3齒計算齒磁勢，定子一般采用開口槽，定子齒亦為變截面齒，磁密沿齒高方向相差亦很大。通過開發采用數值積分方法求齒磁勢，即將齒高方向分成若干層，只要層數足夠，就可以認為每層磁密沿高度方向是均勻分布的。定轉子齒磁勢計算公式為：

式中()為磁化強度，通過磁化曲線插值計算獲得，()沿齒高方向變化。在分層計算齒磁密的同時，可計算每層的鐵耗，這樣能較真實地反映鐵耗的分布情況。

1.1.3 感應電機設計程序

為此設計了感應推進電機電磁設計程序。

1.2 冷卻設計

大功率感應推進電機的高效冷卻設計涉及兩個方面：一是電機本體的熱設計，電機的熱源集中在定轉子，冷熱源的相互作用區域也在此，因此，要保證電機的冷卻效果，就必須做好電機本體內的冷熱源的匹配設計。二是功能性的冷卻系統設計，在總體結構上，推進電機通過合理布置冷卻系統，大大降低了外形尺寸。

1）引入電機等溫升設計理念，主動預測、控制、管理電機內部的冷熱起源、傳遞路徑、相互匹配。

2）引入通過精確驗證的先進的設計方法。通過先進的三維數值設計方法，可以得到電機內部的流動與溫度定量分布，根據這些數據，可以有效規避影響到換熱的不利設計，同時進行針對性的優化設計。實現推進電機的高效冷卻設計，主要開展以下具體工作：

3）結合冷卻系統的結構特點，設計了與結構特點匹配的內部流道，一是規整了流動通道，降低了流動的紊亂程度，從而降低了流動阻力；二是風機出口動壓小，空氣離開風機后進入電機本體時流動損失大為減小；三是將冷卻氣體均勻地吹拂端部繞組，改善了冷卻效果。同時通過通風冷卻模型進行模擬分析測試，使推進電機的冷卻效果達到最佳。

1.3 結構設計

結構設計是保證推進電機可靠運行的前提下，充分考慮對外形尺寸、重量、噪聲振動性能和風路的影響，需重點針對總體結構型式、端蓋、軸承、轉子支架等方案進行了分析，并開展機座、端蓋、軸承、轉軸等重要零部件的力學分析計算，并開展相關優化工作。

從圖3和圖4 可以看出，優化后的電機結構更為緊湊，同時大大降低了電機的高度。

通過結構優化，大功率感應推進電機轉軸采用空心軸結構，轉子的重量可減少20%。

1.4 絕緣設計

對于采用變頻供電的推進電機而言，絕緣的電氣性能十分關鍵。712研究所開展對中壓試樣進行老化試驗,分析不同老化電壓、溫度和頻率下tanδ和C的變化趨勢,結合空間電荷、局部放電、介質發熱理論及試樣內部結構變化的數據，對于推進電機的絕緣設計有極強的指導意義。

此外，主絕緣材料的導熱、耐電暈性能的改進，也對推進電機性能的提升也有著十分重要的意義。712研究所通過提高云母帶的導熱性、耐電暈性研究及其試驗驗證研究，高導熱云母帶成型工藝研究和降低絕緣漆揮發份研究，提高導熱性、耐電暈性、耐熱性、機械強度及其實驗驗證研究；將絕緣漆的導熱系數從0.18w/mk提到0.35w/mk，通過填料分散技術的研究，將云母帶用膠黏劑進行改性，制備了不同增強材料的導熱云母帶，并將云母帶的導熱系數提高到0.44w/mk左右，目前該技術處于國內領先水平。

2 樣機制造和試驗

運用大功率感應推進電機設計方法和設計手段，設計并制造了一臺10 MW感應推進電機樣機，并開展相關試驗研究。 通過試驗研究，試驗數據表明，推進電機性能與西門子電機性能相當，同時底腳振動速度僅為0.125mm/s。

3 結論

通過對大功率感應推進電機設計分析，可以得到以下結論：

1）電磁設計引入數值積分方法，能精確計算齒磁勢、軛磁勢和鉄耗。

2）冷卻系統設計統籌部件和系統設計，并通過通風冷卻模型進行模擬試驗，達到高效冷卻的效果。

3）結構設計需充分考慮對外形尺寸、重量、噪聲振動性能和風路的影響，合理布置電機結構。

4） 通過10MW感應推進電機樣機制造和試驗，表明推進電機具有很好的性能指標。

[1] 陳世坤等. 電機設計. 北京：機械工業出版社.

[2] 孫良友. 多相感應電機磁勢分析及仿真試驗研究 [J]. 船電技術，2011.

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Design of High Power Induction Prolusion Motor for A Ship

Dai Yong, Zhu Jun, Zheng Yifeng, Wei Wenwu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Induction propulsion motors are one of the most important equipments in the system of marine electric propulsion. There are some big differences in the design of large induction propulsion motors and regular motors. This paper discusses the design of induction propulsion motors including the aspects of electromagnetic, structure, cooling system and insulation. The conclusions are verified and testified from the manufacture processes and experiments.

high large power ship; induction propulsion motor; experiment

TM343

A

1003-4862（2016）03-0016-04

2015-12-09

戴勇（1977-），男，碩士。研究方向：電機工程。