周貴厚， 諶 瑾， 何海波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一二研究所，湖北武漢 430064)

船用低噪聲感應(yīng)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周貴厚， 諶 瑾， 何海波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一二研究所，湖北武漢 430064)

在基于商用有限元軟件“多層切片法”處理斜槽的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)斜槽的理論分析和仿真計(jì)算，對(duì)某型號(hào)75 kW 4極船用電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了單斜槽和特殊雙斜“人字型”斜槽轉(zhuǎn)子兩種方案的匹配性優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)風(fēng)扇參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和特殊設(shè)計(jì)。通過(guò)樣機(jī)測(cè)試，并與同規(guī)格常規(guī)電機(jī)和船用低噪聲電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲都大幅降低，驗(yàn)證了電機(jī)方案優(yōu)化的可行性和正確性，對(duì)船用低噪聲感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

低噪聲;電磁振動(dòng);人字型斜槽;結(jié)構(gòu)噪聲;匹配性;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

船用電機(jī)振動(dòng)噪聲尤其是結(jié)構(gòu)噪聲(機(jī)腳加速度)越來(lái)越引起人們的重視和關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)船用低噪聲電機(jī)大多按國(guó)標(biāo)GJB5248—2003來(lái)考核，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家船用低噪聲電機(jī)相比，還存在不小的差距。因此，船用低噪聲電機(jī)的進(jìn)一步減振降噪技術(shù)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

斜槽由于可有效削弱電機(jī)齒諧波磁勢(shì)，降低振動(dòng)和噪聲，而被船用低噪聲電機(jī)廣泛采用。斜槽后定、轉(zhuǎn)子沿著電機(jī)軸向各截面的相對(duì)位置不一樣，其各截面電磁場(chǎng)分布情況也不一樣。對(duì)斜槽轉(zhuǎn)子的有限元分析較常見(jiàn)的處理方法有兩種，一種采用三維電磁場(chǎng)進(jìn)行分析;另一種就是近似簡(jiǎn)化為二維平面場(chǎng)進(jìn)行處理。三維場(chǎng)分析對(duì)計(jì)算機(jī)的配置和要求相當(dāng)苛刻，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格的剖分質(zhì)量和模型的糾錯(cuò)處理要求也高，耗時(shí)、耗資源，尤其在多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)階段;近似簡(jiǎn)化二維場(chǎng)分析，由于要建立導(dǎo)條、端環(huán)和節(jié)點(diǎn)向量磁位間的耦合方程，需編制程序和算法，對(duì)使用者提出了較高的要求。

本文中對(duì)斜槽的有限元分析采用商用軟件Flux V 13.0中的flux skewed模塊，它采用多層切片法進(jìn)行斜槽的處理，其核心思想是在單片磁路耦合2D模型基礎(chǔ)上，沿軸向在定子有效長(zhǎng)度范圍，等距離分配所需要的切片數(shù)，每片間的聯(lián)接通過(guò)在場(chǎng)路耦合中電機(jī)端部電阻和電感來(lái)補(bǔ)償定子部分，以及通過(guò)端環(huán)端部電阻和電感補(bǔ)償轉(zhuǎn)子部分。

本文通過(guò)對(duì)電機(jī)磁路參數(shù)與電磁激振力的匹配性進(jìn)行研究分析，選取單斜和雙斜人字型兩個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)風(fēng)扇參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和特殊設(shè)計(jì)，研究?jī)?yōu)化后的參數(shù)方案對(duì)振動(dòng)和噪聲的影響。

1 理論分析與方案優(yōu)化

式中:Z1、Z2——定、轉(zhuǎn)子槽數(shù);

p——極對(duì)數(shù);

s——轉(zhuǎn)差率;

f0——電源頻率。

對(duì)中小型電機(jī)齒諧波計(jì)算到2階，故k1和k2取至2，大電機(jī)可以取大值。

雙斜人字型槽可看成兩段單斜糟來(lái)進(jìn)行研究，分析其參數(shù)對(duì)徑向力影響，簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下。雙斜人字型示意圖如圖1所示。

1.1 電機(jī)磁路參數(shù)與電磁激振源的匹配

異步電機(jī)氣隙磁通除了產(chǎn)生切向力，形成切向電磁轉(zhuǎn)矩以外，還產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的徑向力。

根據(jù) Maxwell定律，由電機(jī)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生，并作用于定子鐵心內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力正比于磁通密度的平方［1］。

通常情況下，徑向力波的階數(shù)越低，鐵心彎曲變形的相臨兩支點(diǎn)間距越遠(yuǎn)，其剛度相對(duì)較差，徑向變形也越大，所以幅值較大的低次數(shù)徑向力波是引起電磁噪聲的主要根源。

低噪聲異步電機(jī)磁路參數(shù)與電磁激振源的匹配性設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是在滿足基本電性能的基礎(chǔ)上選取合適的槽配合使力波階數(shù)盡量大，采取合理的節(jié)距、繞組分布和斜槽距使諧波磁通分量(包括繞組諧波及齒諧波分量)盡量少，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)使定子電流和氣隙磁密的幅值盡可能小。

圖1 雙斜“人字型”示意圖

定子為直槽，轉(zhuǎn)子為斜槽，建立相對(duì)于定子靜止的坐標(biāo)系，定子諧波磁場(chǎng)可表示為

二段斜槽轉(zhuǎn)子基波電流產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)分別為

分別與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的徑向力波為

1.2 斜槽力波特性分析

為了便于統(tǒng)一描述諧波次數(shù)，以兩次波為基波，那么p(極對(duì)數(shù))次諧波為工作波。相帶諧波:

定子齒諧波:

轉(zhuǎn)子齒諧波:

定子vb次與轉(zhuǎn)子μa次磁場(chǎng)力波階次和頻率:

每段轉(zhuǎn)子沿鐵心長(zhǎng)L方向?qū)较蛄Σǚe分得到的對(duì)應(yīng)定子鐵心的零階平均徑向力分別為

矢量合成求和便可得雙斜人字型全長(zhǎng)上徑向力的平均值(本方案L1=L2，矢量夾角為μα):

R為轉(zhuǎn)子外徑，其系數(shù)可轉(zhuǎn)化為

式中:t2為轉(zhuǎn)子槽距，由式(13)可知，可通過(guò)選取合適的斜槽距bsk和α角參數(shù)，使徑向力幅值足夠小或者為零來(lái)削弱由徑向力引起的噪聲;同時(shí)式(14)的計(jì)算和斜槽系數(shù)一致，為把斜槽系數(shù)耦合到定子去考慮斜槽對(duì)諧波磁勢(shì)的影響提供了理論依據(jù)。本文通過(guò)該方法來(lái)優(yōu)化斜槽參數(shù)。

1.3 諧波磁勢(shì)分析

m相定子合成諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值為

式中:ν——諧波的次數(shù);

W1——線圈每相串聯(lián)匝數(shù);

kdpv——ν次諧波的繞組系數(shù)。

式中:y1——定子繞組槽節(jié)距;

τ——極距;

q——每極每相槽數(shù);

α1——槽距電角度。

轉(zhuǎn)子對(duì)ν次諧波的斜槽系數(shù)為

考慮斜槽后的繞組系數(shù)為

諧波磁動(dòng)勢(shì)與基波磁動(dòng)勢(shì)幅值的百分比:

1.4 電磁參數(shù)的優(yōu)化與分析

根據(jù)上面分析的低噪聲電機(jī)參數(shù)匹配性設(shè)計(jì)理論，以及考慮模具的通用性，經(jīng)多方案多參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子槽形尺寸及鐵心長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，確定了某船用75 kW樣機(jī)的2種方案。表1為同規(guī)格方案優(yōu)化前后的主要參數(shù)。圖2為雙斜“人字型”結(jié)構(gòu)。

表1 方案優(yōu)化前后的主要參數(shù)

圖2 雙斜“人字型”結(jié)構(gòu)

按以上理論優(yōu)化后方案的徑向力波階次及頻率分析見(jiàn)表2，其中諧波只列出了主要的次數(shù)，諧波磁勢(shì)分析見(jiàn)表3，諧波次數(shù)列至二階齒諧波。

表2中()表示一階齒諧波，［］表示二階齒諧波，計(jì)算頻率為負(fù)載s=0.013 33，空載s=0對(duì)應(yīng)的頻率分別為 1 150 Hz，1 250 Hz，2 500 Hz，2 400 Hz，2 600 Hz。

從表2可看出，定子齒諧波與轉(zhuǎn)子齒諧波產(chǎn)生的是高階力波，相反，定轉(zhuǎn)子間(－46，－48)，(50，－52)次諧波產(chǎn)生了二階，定子(－94，98，－10)次分別與轉(zhuǎn)子(－98，102)產(chǎn)生了四階力波，所以需要采取措施進(jìn)行削弱。

表2 徑向力波階次及頻率分析

表3 諧波分量計(jì)算

從表3可看出，方案優(yōu)化后，對(duì)產(chǎn)生低階的定子次數(shù)(－46，50)和(－94，98，－10)有很大程度的削弱，基本等于零。

1.5 風(fēng)扇參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)于4極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min，其通風(fēng)噪聲如果不采取優(yōu)化措施，將會(huì)使電機(jī)空氣噪聲超標(biāo)。經(jīng)流場(chǎng)和葉片應(yīng)力場(chǎng)分析，合理選擇葉片數(shù)及形狀、葉片與風(fēng)罩之間的間隙、風(fēng)扇外徑和寬度等參數(shù)，優(yōu)化和特殊設(shè)計(jì)的低噪聲風(fēng)扇外形如圖3所示。

圖3 低噪聲風(fēng)扇

2 有限元仿真分析

Flux處理多層切片法為近似3D模型，對(duì)氣隙處理是沒(méi)有運(yùn)動(dòng)氣隙而當(dāng)作光滑表面，與2D模型把氣隙當(dāng)作壓縮運(yùn)動(dòng)類型有很大的不同。運(yùn)用場(chǎng)路耦合時(shí)步瞬態(tài)場(chǎng)有限元方法仿真。圖4為斜槽模型多層切片法磁力線，為節(jié)省篇幅，只列出單斜槽仿真的部分波形。圖5為單斜定子電流波形及FFT分析。

選取指定路徑提取氣隙磁場(chǎng)的徑向和切向分量，通過(guò)后處理計(jì)算的氣隙磁密見(jiàn)圖6，圖7為空間域FFT得到電磁力波階次，圖8為時(shí)域FFT得到徑向電磁力頻率，表4為圖7和圖8主要的力波統(tǒng)計(jì)階次幅值和頻率。仿真時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.000 2 s，提取時(shí)間從0.3 s到0.5 s，fmax=2 500 Hz。

比原方案電流135 A小，同時(shí)氣隙磁密仿真0.675 T，比原方案氣隙磁密0.745 T小。由前面的分析可知有利于減小磁動(dòng)勢(shì)幅值和徑向力波的幅值，最終減少振動(dòng)噪聲。

(2)由表4可看出，有限元仿真計(jì)算的力波階次及頻率和前面理論分析吻合。

由圖5～圖8及表4可看出:

(1)定子線電流仿真:

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證優(yōu)化后的效果和正確性，試制了樣機(jī)，并在噪聲試驗(yàn)室與同規(guī)格常規(guī)電機(jī)和船用低噪聲電機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試設(shè)備采用B＆K Puls振動(dòng)噪聲分析儀。彈性減振器為BE-160，加速度計(jì)布置于電機(jī)四個(gè)地腳和頂端(吊攀處)，離電機(jī)1 m外，同時(shí)測(cè)量噪聲。樣機(jī)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，其振動(dòng)加速度分析頻率為10 Hz ～8 kHz，1 dB=10－6m/s2。表5為測(cè)試結(jié)果對(duì)比，圖9～圖14為部分實(shí)測(cè)結(jié)果，其中圖9～圖10為方案1單斜槽取四地腳點(diǎn)均平方根1/3倍頻CPB譜圖，圖11～圖12為其中一地腳測(cè)點(diǎn)FFT線譜圖，圖13～圖14為同一測(cè)點(diǎn)彈性和剛性空載下主要電磁力對(duì)振動(dòng)貢獻(xiàn)量。

表5 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表5及圖9～圖14可知:

(1)從結(jié)構(gòu)噪聲來(lái)看，優(yōu)化后的單斜槽彈性時(shí)比常規(guī)下降3 dB，比船用低噪聲下降7 dB，而雙斜槽彈性時(shí)比常規(guī)下降5 dB，比船用低噪聲下降9 dB;單斜槽剛性時(shí)比常規(guī)下降14 dB，雙斜槽剛性時(shí)比常規(guī)下降16 dB，比船用低噪聲下降4 dB。

(2)從噪聲來(lái)看，優(yōu)化后的單斜槽噪聲比常規(guī)下降16.3 dB，比船用低噪聲下降8.3 dB;雙斜槽噪聲常規(guī)下降18.3 dB，比船用低噪聲下降10.3 dB。

(3)從譜圖可看出，彈性空載影響較大對(duì)應(yīng)的頻率為 1 150 Hz，1 250 Hz，1 350 Hz，剛性滿載較大對(duì)應(yīng)的頻率為1 130 Hz和1 230 Hz，與仿真和分析一致。

(4)從電磁力的貢獻(xiàn)來(lái)看，無(wú)論是彈性還是剛性，優(yōu)化后的方案電磁力幅值都比常規(guī)和船用低噪聲要小，尤其對(duì)二階力波產(chǎn)生的1 150 Hz和1 250 Hz削弱最明顯，雙斜人字型斜槽更優(yōu)，和前面的分析吻合。

(5)從結(jié)果和對(duì)比看，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)船用低噪聲異步電機(jī)的參數(shù)匹配性設(shè)計(jì)需要結(jié)合力波特性和諧波磁勢(shì)分析，合理選取節(jié)距和繞組分布及斜槽距，減小諧波磁通分量，尤其對(duì)產(chǎn)生的低階力波對(duì)應(yīng)的諧波進(jìn)行削弱，對(duì)降低電機(jī)噪聲有重大意義和針對(duì)性。

(3)雙斜人字型斜槽的合理設(shè)計(jì)可有效降低振動(dòng)噪聲。

(4)低噪聲電機(jī)的風(fēng)扇需進(jìn)行特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成.電機(jī)噪聲的分析和控制［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1987.

［2］JACEK F G，CHONG W.Noise of polyphase electric motors［M］.CRC Press，2006.

［3］B海捷爾，V哈馬塔.異步電機(jī)中諧波磁場(chǎng)的作用［M］.章名濤 俞鑫昌譯，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［4］VERMA S P，BALAN A.Determination of radial forces in relation to noise and vibration problems of squirrel-cage induction motors［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1994(2):404-412.

［5］唐東煒，唐孝鎬.異步電動(dòng)機(jī)氣隙不均勻引起的電磁力波的計(jì)算［J］.中小型電機(jī)，2000，27(1):26-27.

Optimization Design of Low Vibration and Noise for Marine Induction Motor

ZHOU Guihou，CHEN Jin，HE Haibo
(The 712 Research Institute，CSIC，Wuhan 430064，China)

Based on“multi-slice method”about skewed rotor of commercial finite element software，two programs were designed to optimize the matching on parameters of one type 75 kW 4-poles marine motor through theoretical analysis and simulation，one was conventional single-skewed rotor，the other was special double Λ type skewed rotor，and fan parameters and structure were also designed to optimize.According to prototype testing and comparing to common specifications and another low vibration and noise for the marine motor，experimental results showed that its structure’s noise and air noise were declined significantly，which verify the feasibility and correctness of the optimization on prototype motor.Besides，the manner dealing with problems was also helpful to low vibration and noise for marine induction motor optimization to some degree.

low noise;electromagnetic vibration;Λ type skewed rotor;structure's noise;matching;optimization design

TM 346

A

1673-6540(2012)07-0026-06

2012-03-05