水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)分析及控制對(duì)策

彭 威，范則陽，夏 偉，曹 晨，邢 劍

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

工程上，水下航行器噪聲源被分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲等3類。在中低速狀態(tài)下，機(jī)械噪聲對(duì)水下航行器輻射噪聲的影響最大［1］。降低機(jī)械噪聲一直是水下航行器減振降噪的研究熱點(diǎn)，其中輔機(jī)是產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要來源之一。對(duì)于水下航行器輔機(jī)來說，無論是直接的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲，還是通過空氣向艙室輻射的空氣噪聲，都來源于作為驅(qū)動(dòng)源的電機(jī)振動(dòng)，因此，對(duì)輔機(jī)配套電機(jī)的振動(dòng)原因進(jìn)行分析，從源頭上開展輔機(jī)振動(dòng)噪聲的控制，是水下航行器減振降噪研究的重要內(nèi)容，也是下一步開展振動(dòng)噪聲“精細(xì)化”控制的方向之一。

本文從理論角度討論水下航行器輔機(jī)電機(jī)的振動(dòng)原因，結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件和實(shí)際使用情況，提出幾種較可行的控制對(duì)策。

1 水下航行器輔機(jī)電機(jī)的振動(dòng)原因

1.1 電機(jī)振動(dòng)的分類

電動(dòng)機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)裝置，其振動(dòng)主要包括電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)及流體動(dòng)力振動(dòng)等3類。由電機(jī)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力激發(fā)的振動(dòng)稱為電磁振動(dòng);機(jī)械振動(dòng)由電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡、軸承及其他機(jī)械接觸部件的摩擦等產(chǎn)生;流體動(dòng)力振動(dòng)主要指因電機(jī)運(yùn)行而導(dǎo)致的與電機(jī)各部件接觸的流體擾動(dòng)，包括轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)等引起的空氣振動(dòng)或水等液態(tài)介質(zhì)的流體振動(dòng)。水下航行器輔機(jī)電機(jī)功率不大，且較多地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，不采用水冷即可滿足散熱要求，因此，流體動(dòng)力振動(dòng)主要指空氣振動(dòng)。

1.2 電磁振動(dòng)的產(chǎn)生根源及徑向電磁力分析

按機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的原理，任何電機(jī)都是通過定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在氣隙中產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)傳遞電磁功率，以電磁轉(zhuǎn)矩 (或電磁力)的形式將電磁功率傳遞給負(fù)載。但氣隙磁場(chǎng)除產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電磁轉(zhuǎn)矩外，還附帶產(chǎn)生各次徑向、軸向電磁力以及不規(guī)則的切向電磁力。正是在這些電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子、定子鐵芯以及機(jī)座才發(fā)生周期性振動(dòng)，稱之為電磁振動(dòng)。

軸向電磁力通過軸承、端蓋轉(zhuǎn)化為軸向機(jī)械振動(dòng)，通?？珊雎圆挥?jì);切向電磁力與產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電磁力方向相同或相反，文獻(xiàn) ［3］認(rèn)為其與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有關(guān)，與機(jī)殼的振動(dòng)沒有關(guān)系。文獻(xiàn) ［2］指出，切向電磁力通過機(jī)殼向外傳遞振動(dòng)主要體現(xiàn)在使定子齒根彎曲，產(chǎn)生局部振動(dòng)，也不是電磁振動(dòng)的主要原因?？梢?，分析電機(jī)電磁振動(dòng)主要是分析由氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向電磁力。

由于電機(jī)氣隙磁場(chǎng)決定于定、轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)和氣隙磁導(dǎo)，所以，電磁振動(dòng)的產(chǎn)生只與定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢(shì)和氣隙磁導(dǎo)有關(guān)。按電機(jī)設(shè)計(jì)理論，氣隙合成磁勢(shì)可用下式表示:

式中:fp(θ，t)為主波合成磁勢(shì)，它是機(jī)械角位移θ和時(shí)間t的函數(shù);分別為定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢(shì)的和。

氣隙磁導(dǎo)與定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和機(jī)械角位移θ有關(guān)，由于異步電動(dòng)機(jī)存在定、轉(zhuǎn)子間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，還與時(shí)間t有關(guān)，可以表示為Λ(θ)或Λ(θ，t)。

根據(jù)麥克斯韋定律，電機(jī)氣隙中單位面積徑向電磁力的瞬時(shí)值可表示為

式中b(θ，t)為氣隙磁密。在不考慮鐵心磁阻時(shí)，b(θ，t)可按下式計(jì)算:

由此可得出各類電機(jī)的徑向電磁力。從徑向電磁力的分析結(jié)果可得出電機(jī)電磁振動(dòng)的基本特征。

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，由主磁場(chǎng)產(chǎn)生的幅值較高、以極數(shù)2p為交變頻率的徑向電磁力，雖然不可避免，但通常只在2極大型電機(jī)中重點(diǎn)考慮;由定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的幅值較小、低次諧波、交變徑向電磁力，與諧波次數(shù)有關(guān)。諧波次數(shù)越低，電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)越大，且該徑向電磁力與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)密切相關(guān);當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒槽參數(shù)確定后，定、轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)中的齒諧波就不會(huì)因繞組形式的改變而削弱了，多數(shù)情況下，這是產(chǎn)生電機(jī)電磁振動(dòng)的主要原因［2，4］。因此需在設(shè)計(jì)中盡量減小低次電磁力的影響，同時(shí)考慮定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)的配合及齒槽參數(shù)。

對(duì)于同步電機(jī)，主磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力也不可避免。不過，由于存在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，分析定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力時(shí)，需考慮轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)對(duì)定子的影響。

與交流電機(jī)不同的是，直流電機(jī)的電磁振動(dòng)主要考慮主磁極與電樞槽間的齒頻電磁力，與磁極、槽形及每極槽數(shù)有關(guān)。

1.3 電機(jī)機(jī)械振動(dòng)和空氣振動(dòng)原因分析

電機(jī)機(jī)械振動(dòng)是指因電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的由機(jī)械原因?qū)е碌恼駝?dòng)。因此分析機(jī)械振動(dòng)，只需要考慮電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件，或與旋轉(zhuǎn)部件相接觸的部件。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，就是轉(zhuǎn)子、電刷、換向器、軸承以及與軸承接觸的端蓋等。如果電機(jī)同軸帶勵(lì)磁機(jī)、風(fēng)扇等，也需單獨(dú)考慮。機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因較單一，通常都是因?yàn)椴粚?duì)稱、不平衡、不均勻、精度低、潤(rùn)滑差等造成。但處理起來往往更麻煩，有時(shí)受原理結(jié)構(gòu)、制造水平及工藝等因素的限制而“束手無策”。

空氣振動(dòng)是由電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生空氣旋轉(zhuǎn)、振蕩、渦流等導(dǎo)致的振動(dòng)。空氣旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)，頻率與風(fēng)扇葉片數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，分析、確定比較容易;但大中型電機(jī)中，需要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道中結(jié)構(gòu)件的影響，避免產(chǎn)生“類風(fēng)扇”的空氣旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。轉(zhuǎn)子齒槽、風(fēng)扇葉片上的凹槽等結(jié)構(gòu)，是產(chǎn)生空氣振蕩的主要原因。相比之下，空氣渦流在電機(jī)空氣振動(dòng)原因中最難分析，需要考慮氣體流量、風(fēng)扇外徑、周速、結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合電機(jī)溫升限值綜合分析。

2 水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)控制的特點(diǎn)及對(duì)策

2.1 水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)控制的特點(diǎn)

水下航行器是將動(dòng)力裝置、武器裝備、通信導(dǎo)航、生活保障等多個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)封閉的殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的復(fù)雜水下平臺(tái)。使用平臺(tái)的特殊性，決定了水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)的一些特點(diǎn)。

首先，環(huán)境及運(yùn)行工況復(fù)雜，增加了輔機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)的難度，對(duì)電機(jī)振動(dòng)的控制帶來一定影響。水下航行器使用環(huán)境條件嚴(yán)酷 (如大角度縱傾、橫搖)，輔機(jī)機(jī)艙通風(fēng)散熱條件差，空氣溫濕度較高，這些因素要求從設(shè)計(jì)上對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、溫升、絕緣電阻以及壽命等采取加強(qiáng)措施，增加了電機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，不利于振動(dòng)噪聲的控制。同時(shí)，為保證可靠性，水下航行器輔機(jī)使用時(shí)的功能備份、功率冗余情況較多，電機(jī)的運(yùn)行工況較復(fù)雜，給電機(jī)振動(dòng)的分析和控制帶來困難。

其次，輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)噪聲的控制與電機(jī)尺寸、重量的控制相互影響，不利于電機(jī)噪聲性能的優(yōu)化。眾所周知，為減小激振力引起的設(shè)備振動(dòng)，增加激振力所作用物體的重量是最有效的方法之一。對(duì)于電機(jī)來說，要減小徑向電磁力的噪聲影響，通常采取定子、機(jī)座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的途徑來實(shí)現(xiàn)。但是，這與水下航行器空間有限，設(shè)備尺寸、重量需嚴(yán)格控制的要求存在矛盾。因此，需多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到噪聲控制目標(biāo)的同時(shí)，滿足尺寸、重量控制要求。

最后，其他一些外部因素會(huì)引起水下航行器輔機(jī)電機(jī)噪聲特性的不確定性，增加了噪聲控制的難度。例如，水下航行器特殊的殼體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)對(duì)輔機(jī)電機(jī)共振源的產(chǎn)生有一定作用;供電電源的紋波電壓以及變工況時(shí)的瞬態(tài)電壓可能會(huì)對(duì)電機(jī)輸出平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

2.2 水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)控制的對(duì)策

水下航行器輔機(jī)電機(jī)的噪聲主要來自于電磁、機(jī)械、流體振動(dòng)，但振動(dòng)噪聲的控制，面臨著環(huán)境條件、使用工況、安裝布置以及其他外部因素的制約，具有顯著的特殊性，其方法包括電機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)、隔振、總體減振布置等?？偨Y(jié)起來，各種方法都可以歸結(jié)為以下3個(gè)對(duì)策:

1)內(nèi)科的對(duì)策

為降低與電機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的振動(dòng)、噪聲而采取的措施，稱之為“內(nèi)科的對(duì)策”，通常采用各種優(yōu)化算法或理論。

如前所述，合理的選擇異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)，可以減小定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向電磁力，減小齒諧波產(chǎn)生的電磁振動(dòng)［5］;永磁電機(jī)定子槽數(shù)、永磁體磁極的優(yōu)化配置，對(duì)于減小齒諧波轉(zhuǎn)矩有顯著影響;直流電機(jī)電樞槽形、磁極數(shù)等的選擇可以決定其齒頻電磁力的大小。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，只要能在電磁場(chǎng)分析時(shí)明確各電磁力的時(shí)間諧波和空間諧波分布，并開展電機(jī)定、轉(zhuǎn)子固有振動(dòng)特性的分析計(jì)算，就能做到電機(jī)振動(dòng)幅值、頻率的控制。

顯然，“內(nèi)科的對(duì)策”必須由電機(jī)設(shè)計(jì)方實(shí)施?？紤]到成熟度、可靠性等因素，水下航行器的輔機(jī)一般選用常規(guī)類型的電機(jī)，相關(guān)設(shè)計(jì)理論成熟，再輔以先進(jìn)的計(jì)算處理技術(shù)，設(shè)計(jì)出合格的低噪聲電機(jī)并不難做到。

2)外科的對(duì)策

即使采取最完善的理論設(shè)計(jì)出的電機(jī)，仍有可能出現(xiàn)不明原因的振動(dòng)噪聲源，例如1.3節(jié)提到的因電機(jī)制造工藝而產(chǎn)生的對(duì)內(nèi)科來說“束手無策”的振動(dòng)源。這種情況下，就必須從電機(jī)結(jié)構(gòu)外采取措施了。例如，在電機(jī)機(jī)座上增加加強(qiáng)筋，散熱的同時(shí)可以改變結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率;給電機(jī)設(shè)計(jì)合適的隔振裝置，減小振動(dòng)傳遞等。

這種對(duì)已設(shè)計(jì)成型的、機(jī)座以外的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、噪聲而采取的措施，稱之為“外科的對(duì)策”。這種對(duì)策目前在水下航行器的輔機(jī)振動(dòng)、噪聲控制方面應(yīng)用廣泛，主要由總體、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方實(shí)施。

水下航行器的輔機(jī)及其系統(tǒng)具有較大的繼承性、相似性，經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究、經(jīng)驗(yàn)積累，設(shè)計(jì)者可以準(zhǔn)確定位輔機(jī)振動(dòng)的外部特征點(diǎn)，進(jìn)而采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化、隔振處理措施。實(shí)踐證明，采用“外科的對(duì)策”控制水下航行器輔機(jī)振動(dòng)噪聲，效果明顯。

3)神經(jīng)科的對(duì)策

除了從電機(jī)本體設(shè)計(jì)、外部減振優(yōu)化方面采取措施以外，還應(yīng)從供電電源、控制方式等角度考慮振動(dòng)、噪聲的影響因素。為降低這種因素的影響而采取的措施，稱之為“神經(jīng)科的對(duì)策”。

直流幅壓電機(jī)由蓄電池組供電，供電電壓變化范圍較大，且不能控制，造成直流幅壓電機(jī)輸出范圍、尺寸、重量普遍較大，運(yùn)行控制比較粗放，不利于系統(tǒng)低噪聲運(yùn)行控制。

水下航行器輔機(jī)用交流電機(jī)一般為異步電動(dòng)機(jī)或永磁無刷電動(dòng)機(jī)，采用專用的變頻調(diào)速裝置供電，通過轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)，結(jié)合先進(jìn)的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出的精確控制。理論上交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有節(jié)能降噪的優(yōu)勢(shì)，但實(shí)踐表明，仍不可忽視變頻輸出、控制策略等對(duì)噪聲振動(dòng)的影響［6］。例如，由于電流諧波、畸變的影響，永磁無刷電機(jī)輸入電流為方波會(huì)比輸入正弦波電流產(chǎn)生更大的振動(dòng)［7］;通過對(duì)PWM調(diào)制方式、換相技術(shù)的優(yōu)化以及采取電流補(bǔ)償?shù)却胧?，可以顯著改善調(diào)速系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲水平［8－9］。

此外，輔機(jī)電機(jī)啟動(dòng)、變工況運(yùn)行及停機(jī)過程會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊，極易引起管路的瞬態(tài)振動(dòng)和噪聲，需從控制角度開展操作使用優(yōu)化，減少輔機(jī)運(yùn)行操作時(shí)的瞬態(tài)噪聲源。

從供電品質(zhì)、控制策略等角度開展輔機(jī)電機(jī)的減振降噪設(shè)計(jì)，符合總體“主動(dòng)”聲學(xué)設(shè)計(jì)的要求，是水下航行器輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的重要內(nèi)容，也是進(jìn)一步控制總體機(jī)械噪聲水平的重要措施。

3 結(jié)語

本文從電機(jī)理論角度簡(jiǎn)述水下航行器輔機(jī)電機(jī)的振動(dòng)原因，對(duì)常見的引起電磁振動(dòng)的徑向電磁力做了針對(duì)性的分析。同時(shí)，從水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的特殊性出發(fā)，介紹了降低輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)噪聲的3種對(duì)策，指出供電品質(zhì)、控制策略是進(jìn)一步降低水下航行器輔機(jī)振動(dòng)噪聲的重要措施。

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