戴 勇，朱 軍，鄭宜鋒，韋文武

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大型船用感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

戴 勇，朱 軍，鄭宜鋒，韋文武

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

船用感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)是船舶采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，大型船用感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)與常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)具有較大差異。本文從電磁、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻和絕緣設(shè)計(jì)等方面開展大型船用感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)，并通過10MW感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)樣機(jī)的制造和試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性。

大型船用 感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)

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(jìn)正在經(jīng)歷著巨大變革。船用電力推進(jìn)系統(tǒng)因其在綜合利用能源、降低船舶噪聲、提高機(jī)動(dòng)性能、擴(kuò)大有效艙容、環(huán)保等方面的優(yōu)勢，已成為當(dāng)今世界高技術(shù)船舶動(dòng)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(yùn)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(jìn)電機(jī)是船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，由推進(jìn)變頻器供電，直接或通過舵槳驅(qū)動(dòng)螺旋槳。感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)采用鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子基本無維護(hù)等自身天然優(yōu)勢特點(diǎn)，但常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，不能滿足推進(jìn)電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、低振動(dòng)噪聲和大氣隙強(qiáng)抗沖擊性等特點(diǎn)，被越來越多的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)采用。

1 大型感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

推進(jìn)電機(jī)要求體積小、重量輕，并安裝在船體，船舶航行存在沖擊振動(dòng)以及意外的撞擊，因此大功率感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)需采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，才能滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的要求。

1.1 電磁設(shè)計(jì)

1.1.1 相數(shù)選擇

大功率船舶由于推進(jìn)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(jī)容量一定和相電流(或相電壓)不變的情況下，電機(jī)定子相數(shù)增加，可以降低供電電壓(或電流)；同時(shí)避免了功率器件的串并聯(lián)。由于相數(shù)增加，多相電機(jī)在定子缺相時(shí)可降額繼續(xù)運(yùn)行而不必停車，使系統(tǒng)的可靠性、容錯(cuò)性提高。m相電樞繞組合成的由μ次時(shí)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(dòng)下降。同時(shí)多相電機(jī)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(jì)

磁路計(jì)算主要有氣隙磁勢計(jì)算、齒磁勢計(jì)算和軛磁勢計(jì)算。氣隙磁勢計(jì)算方法與常規(guī)基本相同。常規(guī)設(shè)計(jì)公式中使用的軛部磁壓降校正系數(shù)計(jì)算軛磁勢和采用1/3齒計(jì)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(rèn)為每層磁密沿高度方向是均勻分布的。定轉(zhuǎn)子齒磁勢計(jì)算公式為：

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

1.1.3 感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)程序

為此設(shè)計(jì)了感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序。

1.2 冷卻設(shè)計(jì)

大功率感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)的高效冷卻設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)方面：一是電機(jī)本體的熱設(shè)計(jì)，電機(jī)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(jī)的冷卻效果，就必須做好電機(jī)本體內(nèi)的冷熱源的匹配設(shè)計(jì)。二是功能性的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在總體結(jié)構(gòu)上，推進(jìn)電機(jī)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(jī)等溫升設(shè)計(jì)理念，主動(dòng)預(yù)測、控制、管理電機(jī)內(nèi)部的冷熱起源、傳遞路徑、相互匹配。

2）引入通過精確驗(yàn)證的先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。通過先進(jìn)的三維數(shù)值設(shè)計(jì)方法，可以得到電機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)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(jì)，同時(shí)進(jìn)行針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的高效冷卻設(shè)計(jì)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)了與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)匹配的內(nèi)部流道，一是規(guī)整了流動(dòng)通道，降低了流動(dòng)的紊亂程度，從而降低了流動(dòng)阻力；二是風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓小，空氣離開風(fēng)機(jī)后進(jìn)入電機(jī)本體時(shí)流動(dòng)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(shí)通過通風(fēng)冷卻模型進(jìn)行模擬分析測試，使推進(jìn)電機(jī)的冷卻效果達(dá)到最佳。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證推進(jìn)電機(jī)可靠運(yùn)行的前提下，充分考慮對外形尺寸、重量、噪聲振動(dòng)性能和風(fēng)路的影響，需重點(diǎn)針對總體結(jié)構(gòu)型式、端蓋、軸承、轉(zhuǎn)子支架等方案進(jìn)行了分析，并開展機(jī)座、端蓋、軸承、轉(zhuǎn)軸等重要零部件的力學(xué)分析計(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)大大降低了電機(jī)的高度。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大功率感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)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(jì)

對于采用變頻供電的推進(jìn)電機(jī)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(jìn)行老化試驗(yàn),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(jìn)電機(jī)的絕緣設(shè)計(jì)有極強(qiáng)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(jìn)，也對推進(jìn)電機(jī)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(yàn)驗(yàn)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(jī)械強(qiáng)度及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行改性，制備了不同增強(qiáng)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(jī)制造和試驗(yàn)

運(yùn)用大功率感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)并制造了一臺10 MW感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)樣機(jī)，并開展相關(guān)試驗(yàn)研究。 通過試驗(yàn)研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，推進(jìn)電機(jī)性能與西門子電機(jī)性能相當(dāng)，同時(shí)底腳振動(dòng)速度僅為0.125mm/s。

3 結(jié)論

通過對大功率感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)分析，可以得到以下結(jié)論：

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

2）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)籌部件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過通風(fēng)冷卻模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，達(dá)到高效冷卻的效果。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需充分考慮對外形尺寸、重量、噪聲振動(dòng)性能和風(fēng)路的影響，合理布置電機(jī)結(jié)構(gòu)。

4） 通過10MW感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)樣機(jī)制造和試驗(yàn)，表明推進(jìn)電機(jī)具有很好的性能指標(biāo)。

[1] 陳世坤等. 電機(jī)設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 孫良友. 多相感應(yīng)電機(jī)磁勢分析及仿真試驗(yàn)研究 [J]. 船電技術(shù)，2011.

[3] 鄭軍等. 先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)技術(shù)研究. 國防科技報(bào)告，2007.

[4] Aníbal T. de Almeid. Beyond induction motors-Technology Trends to Move Up Efficiency . IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. 2014

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(jī)工程。