3 000 kW舰船用异步推进电机结构的分析研究

邵优华

(海军驻上海地区舰炮系统军事代表室， 上海　200129)

3 000 kW舰船用异步推进电机结构的分析研究

邵优华

(海军驻上海地区舰炮系统军事代表室， 上海200129)

摘要：船舶电力推进系统是船舶动力的一种重要类型。由于电力推进系统具有布置方便，工作噪声低、节能、操纵灵活、易于实现自动控制等优点，有逐步取代直接推进之势。船用异步推进电机作为船舶电力推进系统的核心部件，与常规电机相比，对电机结构的要求更高，比如要求电机运行时低振动，低噪音，同时要求更小的体积、重量以及更安全可靠。笔者从一台3 000 kW船用异步推进电机的结构方面入手进行研究，对该类电机进行静态性能和动态性能进行仿真分析，静态性能包括机座的刚度、转子的挠度，关键部件的疲劳等；动态性能包括模态及相应分析等。通过3 000 kW船用异步推进电机结构的研究，验证该电机结构的可行性，同时也为同类型电机结构的设计和判定提供了参考。

关键词：电力推进；船用异步推进电机；结构仿真分析

0引言

随着我国近年来对海洋开发需求的多样化，海洋工程装备的类型也向多样化、大型化方向发展，船舶数量不断增加，吨位不断增加，原有船舶电力推进系统已经不能满足实际需要，迫切需要开发新的大功率推进电机，实现船舶装备的现代化更新[1]。大型舰艇电力推进系统可能采用的推进电机主要包括五种类型：电励磁同步电机、永磁电机、感应电机、高温超导电机和单极电机等。就现状而言，电励磁同步电机的功率-重量密度最低；而高温超导电机和单极电机的技术还不成熟；永磁电机则存在着失磁风险，磁性材料稳定性问题尚未解决；因此异步推进电机成为各国中大型水面舰船的首要研究方向[2]。ALSTOM公司已经完成了先进感应电机(AIM)的研制和试验，表明通过特殊设计，异步推进电机也能达到接近永磁推进电机的功率密度，并已应用于英国T45型驱逐舰，具有较高的成熟度；同时美国在DD(X)的全尺寸演示验证系统推进电机的选型中，也由于永磁电机的技术问题而改为选用ALSTOM公司的先进感应电机[3]。目前我国也逐渐论证、形成了中大型水面舰船发展异步推进电机，水下舰艇发展永磁推进电机的思路。

船用异步推进电机作为船舶电力推进系统的核心部件，其运行特性(包括转速特性、转矩特性、机械特性、效率特性等)应由船舶性能要求确定。根据不同工况要求，船舶的航速和推进轴功率的变化范围很大，船用异步推进电机是一种功率和转速变化范围很宽的多工况电机，同时要考虑船舶使用环境条件(海水、盐雾、霉菌等)。与常规电机相比，对电机结构的要求更高，比如要求电机运行时低振动，低噪音，同时要求更小的体积、重量以及更安全可靠[4]。

在静态性能方面，船用异步推进电机受重力影响，各个部件会产生变形，关键部件的变形需加以考虑，比如转子与端盖，其变形程度需严格控制。同时船用异步推进电机靠电磁力驱动转子旋转，因此转子与定子都受到电磁力矩、单边磁拉力以及转子质量不平衡的作用，也需对电机在自重及电磁力矩受力条件下的应力分布及位移分布加以考虑。其中，轴是船用异步推进电机的关键传动部件，不仅要计算挠度，还要计算其扭转变形。特别是电机转速高，轴要承受周期性应力，很容易导致疲劳，因此有必要对其进行疲劳分析。同时在动态性能方面，则主要是对其模态进行分析及临界转速的计算。

笔者所述的船用异步推进电机，功率为3 000 kW，额定转速为1 000 r/min，需经受超速1.25倍5 min而不发生有害形变。同时在体积、重量明显低于常规电机的情况下，需要严格控制振动、噪音指标。因此不能如常规电机一样，仅通过型式试验一种方法来检验各项指标。对该类电机的静态性能和动态性能进行研究非常必要，需在制造前对其各项结构性能、参数进行研究，提前优化各项参数。提高产品一次成品率，降低成本。

1电机研究模型

对3 000 kW船用异步推进电机进行仿真分析，首先需按实物对其进行几何建模并摒弃结构计算中的自由件(即对结构计算无影响的部件，比如引线夹，固定用的搭子等辅助件)，并对一些构型复杂的结构件进行计算简化以保证模型质量，电机模型见图1。

图1　电机模型

同时对电机模型进行有限单元的划分。考虑到六面体单元稳定性好，计算精度相对比较高，因此几何结构尽量采用六面体单元划分。由于机座壁很薄，但长宽尺寸非常大，因此采用六面体单元不合适，在此选用壳单元。电机结构有限元剖分模型见图2。同时转子作为关键部件，需单独进行结构分析，其有限元剖分模型见图3。

图2　电机结构有限元剖分模型

图3　转子结构有限元剖分模型

机座材料为钢Q235-A，屈服极限σs取235 MPa；轴材料为钢16 Mn 并经正火处理，其性能参数通过实际测量见表1。

表1　16 Mn机械性能参数

2电机结构研究

2.1定子强度刚度研究

机座为电机承力部件，其强度及刚度的好坏直接影响到电机的安全与性能。电机除承受自重外，还要承受电磁扭矩的作用。在考虑两相短路最恶劣冲击转矩加载下，机座的应力计算结果见图4。在该工况下，固定定子铁心的机座壁所承受的应力最大，其最大值位置在与电机地脚板接触的位置，为43 MPa，远低于材料的许用应力，强度判定合格。同时机座的刚度计算结果见图5。由于电机顶部板薄，并承受冷却器重量，因此变形最大为0.05 mm，此处变形对电机使用无影响，故可忽略不计。需要特殊考虑的是端盖的变形。由于端盖是转子的承力部件，若刚性差，会导致电机振动，变形严重还会引起电机定转子相擦。本例中端盖轴承处变形为0.03 mm，远小于电机气隙，因此判定合格。

图4　机座应力分布图

图5　机座形变分布图

2.2电机模态研究

3 000 kW船用异步推进电机要求运行时振动小，而船用异步推进电机运行过程中激励复杂，在变频器供电下更是容易引起电机的径向力波谐波。除

了在电磁上尽量削弱径向力波谐波，同时在结构设计时需对电机的固有频率分布有一定的了解，从结构上避开常见的共振点。通过对电机进行模态研究，并提取前4阶模态见表2。

表2　电机模态固有频率　Hz

同时电机相应的振型分布见图6。

图6　电机振型特征图

电机额定转速为1 000 r/min，即使是超速为1 500 r/min，其转动机械频率为25 Hz，而对振动、噪音影响最大的两倍频折算为机械频率为33.3 Hz。离电机一阶模态值较远，其它模态也与电磁频率不重合，避开了电磁径向力波谐波的共振点，该电机的结构理论上可以削弱电磁振动、噪音，因此判定合格。由于在计算过程中，对定、转子铁心部分作了很大的简化，考虑计算结果的误差，可以通过相关模态测试设备实测进行验证。

2.3电机响应研究

由于转子必然存在不平衡量，这些不平衡量最终会引起电机轴心轨迹的变化。考虑10%气隙偏心的最恶劣情况，引起的电机单边磁拉力经过经验公式计算约为700 N。激振频率设置为0～200 Hz，结构阻尼系数为0.03，激振方向为重力方向，位移响应曲线见图7。

图7　考虑偏心的重力方向位移响应图

共振点位44 Hz，92 Hz，123 Hz，在这些频率下容易发生因为偏心所引起的共振现象。由于运行范围的机械频率避开了这些共振频率，因此判定合格。

2.4转子结构研究

2.4.1转子挠度研究

转子的刚度对电机的动态运行性能有很大的影响，比较常用的一个衡量值是挠度。3 000 kW船用异步推进电机的挠度计算结果见图8。

图8　电机转子挠度分布图

一般要求电机铁心除转子挠度小于气隙的10%，3 000 kW船用异步推进电机铁心处挠度为0.4 mm，在规定的范围内，因此判定合格。在某些严苛的应用场合，还需要考虑冲击对转子挠度的影响，保证电机不发生定、转子相擦的事故发生。

2.4.2转子应力研究

电机转轴传递电机的扭矩，是最关键的受力部件。其安全性需得到严格保证，一般是通过弯曲应力及扭转应力来衡量。

其中弯曲应力主要是转子的自重及单边磁拉力引起，其计算结果见图9。最大弯曲应力仅为29 MPa，远低于材料许用应力，因此判定合格。

图9　电机转子轴弯曲应力分布图

电机输出端轴伸所承受的扭矩最大，考虑120%过载，其扭转切应力分布见图10，危险截面最大切应力为52 MPa，远低于材料许用应力，因此判定合格。

图10　电机输出端轴伸扭转应力分布图

2.4.3转子疲劳研究

通过上述分析计算，该轴最大应力值均远低于材料许用应力。但电机轴处于高速旋转，受周期应力的影响，容易产生疲劳，其扭转疲劳应力分布见图11。考虑到其结构受力特征，还应对其弯曲应力疲劳及扭转应力疲劳进行计算。

其中16 Mn标准件拉应力理论疲劳极限σ-1=264 MPa，16 Mn标准件切应力理论疲劳极限τ-1= 152 MPa，应变硬化指数n=1，断裂延性εf=1.27，负载循环特征R=0(电机不正反转)。因此通过式(1)～(4)能计算得到转子疲劳裂纹起始门槛值(Δσeqv)th和(Δτeqv)th。

(1)

(2)

(3)

(4)

对轴伸危险截面的扭转疲劳应力进行研究，

对轴的弯曲疲劳应力进行研究，如图12，最大弯曲应力仅为28MPa，因此判定合格。

可见，3 000kW船用异步推进电机转轴在120%过载条件下仍可长期稳定使用，且远低于疲劳裂纹起始门槛值。

图11　电机轴伸危险截面的扭转疲劳应力分布图

图12　电机转轴弯曲疲劳应力分布图

3结语

船用异步推进电机作为船舶电力推进系统的核心部件，与常规电机相比，对电机结构的要求更高，比如要求电机运行时低振动、低噪音，同时要求更小的体积、重量以及更安全可靠。因此非常有必要对船用异步推进电机的结构进行研究。

笔者从一台3 000 kW船用异步推进电机的结构方面入手进行研究，对该类电机进行静态性能和动态性能进行仿真分析，静态性能包括机座的刚度、转子的挠度、关键部件的疲劳等；动态性能包括模态及相应分析等。通过对3 000 kW船用异步推进电机结构的研究，验证该电机结构的可行性，能确保在各种最恶劣工况下长期稳定运行，同时也为同类型电机结构的设计和判定提供了参考。

参考文献

[1] 寿海明，冀路明，马守军. 现代船用推进电机技术研究. 船电技术，Vol.27，No.1，2007/1/2.

[2] 任修明,杨德望. 舰船推进电机设计发展展望[A]. 中国造船工程学会军船学术委员会舰船电力推进技术专题论文集[C].

[3] United States Government Accountability Office, “Progress and Challenges Facing the DD(X) Surface Combatant Program”, GAO-050-924T, 2005.7:13-15.

[4] A J Mitcham, J J A Cullen. Motors and Drives for Surface Ship Propulsion: Comparison of Technologies. The Institute of Marine Engineers. Paper 4(October 1995).

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