大型船用感應(yīng)推進電機設(shè)計

戴 勇，朱 軍，鄭宜鋒，韋文武

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

大型船用 感應(yīng)推進電機設(shè)計 試驗

0 引言

隨著電力電子器件、變流技術(shù)、船東控制系統(tǒng)以及新能源等高新技術(shù)的快速發(fā)展，船舶電力推進正在經(jīng)歷著巨大變革。船用電力推進系統(tǒng)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(huán)保等方面的優(yōu)勢，已成為當今世界高技術(shù)船舶動力系統(tǒng)發(fā)展的一種主流趨勢，并被廣泛應(yīng)用于豪華游輪、火車渡船、供應(yīng)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(shù)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(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，由推進變頻器供電，直接或通過舵槳驅(qū)動螺旋槳。感應(yīng)推進電機采用鼠籠式感應(yīng)電動機，與電勵磁同步電動機和永磁電動機相比具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子基本無維護等自身天然優(yōu)勢特點，但常規(guī)的設(shè)計方法，不能滿足推進電機具有高轉(zhuǎn)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(tǒng)采用。

1 大型感應(yīng)推進電機設(shè)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(yīng)推進電機設(shè)計需采用先進的設(shè)計方法，才能滿足船舶電力推進系統(tǒng)的要求。

1.1 電磁設(shè)計

1.1.1 相數(shù)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(shù)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(lián)。由于相數(shù)增加，多相電機在定子缺相時可降額繼續(xù)運行而不必停車，使系統(tǒng)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(chǎn)生的ν空間諧波磁勢諧波為：

通過磁勢分析，相數(shù)采用多相，比三相存在先天優(yōu)勢使得影響較大的空間諧波次數(shù)增大，且幅值下降，轉(zhuǎn)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(shù)。

1.1.2 磁路設(shè)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(guī)基本相同。常規(guī)設(shè)計公式中使用的軛部磁壓降校正系數(shù)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(fā)采用數(shù)值積分方法求齒磁勢，即將齒高方向分成若干層，只要層數(shù)足夠，就可以認為每層磁密沿高度方向是均勻分布的。定轉(zhuǎn)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(yīng)電機設(shè)計程序

為此設(shè)計了感應(yīng)推進電機電磁設(shè)計程序。

1.2 冷卻設(shè)計

大功率感應(yīng)推進電機的高效冷卻設(shè)計涉及兩個方面：一是電機本體的熱設(shè)計，電機的熱源集中在定轉(zhuǎn)子，冷熱源的相互作用區(qū)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(nèi)的冷熱源的匹配設(shè)計。二是功能性的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，在總體結(jié)構(gòu)上，推進電機通過合理布置冷卻系統(tǒng)，大大降低了外形尺寸。

1）引入電機等溫升設(shè)計理念，主動預(yù)測、控制、管理電機內(nèi)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(shè)計方法。通過先進的三維數(shù)值設(shè)計方法，可以得到電機內(nèi)部的流動與溫度定量分布，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以有效規(guī)避影響到換熱的不利設(shè)計，同時進行針對性的優(yōu)化設(shè)計。實現(xiàn)推進電機的高效冷卻設(shè)計，主要開展以下具體工作：

3）結(jié)合冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了與結(jié)構(gòu)特點匹配的內(nèi)部流道，一是規(guī)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?。蝗菍⒗鋮s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(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)型式、端蓋、軸承、轉(zhuǎn)子支架等方案進行了分析，并開展機座、端蓋、軸承、轉(zhuǎn)軸等重要零部件的力學(xué)分析計算，并開展相關(guān)優(yōu)化工作。

從圖3和圖4 可以看出，優(yōu)化后的電機結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時大大降低了電機的高度。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大功率感應(yīng)推進電機轉(zhuǎn)軸采用空心軸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的重量可減少20%。

1.4 絕緣設(shè)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(guān)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(jié)合空間電荷、局部放電、介質(zhì)發(fā)熱理論及試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的數(shù)據(jù)，對于推進電機的絕緣設(shè)計有極強的指導(dǎo)意義。

此外，主絕緣材料的導(dǎo)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(dǎo)熱性、耐電暈性研究及其試驗驗證研究，高導(dǎo)熱云母帶成型工藝研究和降低絕緣漆揮發(fā)份研究，提高導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)從0.18w/mk提到0.35w/mk，通過填料分散技術(shù)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(dǎo)熱云母帶，并將云母帶的導(dǎo)熱系數(shù)提高到0.44w/mk左右，目前該技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 樣機制造和試驗

運用大功率感應(yīng)推進電機設(shè)計方法和設(shè)計手段，設(shè)計并制造了一臺10 MW感應(yīng)推進電機樣機，并開展相關(guān)試驗研究。 通過試驗研究，試驗數(shù)據(jù)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(jié)論

通過對大功率感應(yīng)推進電機設(shè)計分析，可以得到以下結(jié)論：

1）電磁設(shè)計引入數(shù)值積分方法，能精確計算齒磁勢、軛磁勢和鉄耗。

2）冷卻系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)籌部件和系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)。

4） 通過10MW感應(yīng)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(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社.

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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。