舰用变频异步电动机设计

孙良友

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭 411101）

舰用变频异步电动机设计

孙良友

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭 411101）

针对舰用变频异步电动机的设计特点和要求，设计开发了一台200 kW 690 V舰用六相变频异步电动机，同时对方案经过了路算和基于Ansoft simplore+Maxwell场路耦合的有限元分析，并通过样机试验验证。试验结果表明，电机性能满足要求，尤其振动噪声远低于同类型舰用低噪声电机，验证了方案的可行性和正确性。该方案采取的减振降噪措施和分析方法对舰用变频供电的异步电动机低噪声设计有良好的指导作用。

低振动噪声 变频异步电机 场路耦合 电磁激振力

0 引言

与三相系统相比而言，多相系统在提高电机利用率、改善磁势波形、利用低压功率器件实现大功率以及提高系统的可靠性上有较大优势而被舰船系统广泛采用[1]。舰用多相变频电机由于供电电源引入了一系列高频时间谐波分量，电流中高频谐波电流分量与基频电流相互作用，产生明显的高频振动特征，其高频及其边频带谐波频谱分布范围较宽，给谐波特征的抑制和电机适应性设计带来很大困难。

本文针对某一台舰用六相690V 200kW变频异步电动机，从减振降噪的角度对其进行了低噪声电磁参数和结构设计，采用了专门开发适用于变频电机运行原理的设计程序对该方案进行了电磁路算，同时采用了基于Ansoft simplore+ Maxwell场路耦合瞬态时步法的有限元仿真方法进行了互相验算和试验对比。结果表明，达到了设计目标。

1 设计技术参数和要求

1.1 电机基本性能要求

电机类型：六相双Y移30°变频异步电动机

供电电源：电压源逆变器供电

额定功率：200 kW

额定电压：690 VAC

额定电流：105 A

极 数 ： 6

额定频率：25.56 Hz

额定转速：500 r/min

负载特性：0 r/min～500 r/min恒转矩负载

额定转矩： 3820 N·m

振动加速度（空载弹性安装）：≤110 dB(A)噪声Lp（A）∶ ≤75 dB(A)

2 电磁方案设计及降噪措施

从电机性能要求分析可以看出，该变频电机的主要设计难点还是对振动和噪声的控制和抑制。变频电机主要振动源频率为开关频率及倍频和其旁频，另外就是齿频，从减振的角度看，电机电磁设计主要削弱齿频分量，具体就是降低谐波磁密，增大漏抗和削弱谐波幅值等方式。

2.1 电磁设计上采取的措施

为了达到减少振动和噪声的目的，电磁设计时采用定子斜槽、绕组多相移相、定子采用磁性槽楔、合理增大气隙及铁芯长度，通过多方案多参数优化最终确定了电机主要结构参数，电机主要结构参数见表1。

表 1 主要结构参数

2.2 结构上采取的措施

变频供电下，由于频带范围增大，容易引起电机共振，而铁芯叠压质量，刚度和模态对电机振动，尤其对低频分量振动的影响特别大。

为了保证定转子齿部弹开度，对齿压板采用了整体钢板结构直接加工，并加强了齿压板的强度。

转子鼠笼条和端环采用铜合金，导条与端环之间采用中频感应焊，转子导条采用锲紧工艺进行固定，同时提高转子动平衡精度，减少转频对振动的影响。

为了降低空气噪声，转子转轴上不设置风扇和平衡环，冷却采取空水冷形式，内循环风通过两端端环处导条形成的风压差产生，平衡在转子压圈内圆处通过配重法。

为减少绕组端部振动，绕组端部通过端箍和膨胀材料多重绑扎固定方式。

3 计算和有限元分析

为分析电机本体设计的正确性，进行了电机的电磁路算和正弦供电下电磁场相互校算，尤其重点关注齿频分量。

图1为电机分析模型磁力线分布云图，图2只列出气隙磁密波形及FFT分析，表2为变频电机不同计算方法计算的主要性能参数，表3为变频电机的变频特性。

表2 不同计算方法主要性能结果对比

图1 六相电机分析模型磁力线分布云图

为了分析变频供电下开关频率对振动噪声的影响及有限元分析，采用ansoft simplore中搭建变频器拓扑电路，将电机的2D有限元模型导入到Simplorer中，实现场路耦合仿真。图3为ansoft simplore+Maxwell场路耦合模型，载波频率设置为2 K，时间步长为1e-4，2.5 s前仿真电机启动过程，然后在2.5 s突加额定负载运行4 s，保存时间为3.2 s到4 s共8000个点。限篇幅，只给出部分波形，图4为电流波形及其中一相的FFT分析，图5为转距-时间变化曲线，图6和图7为正弦和非正弦供电下电机径向电磁力频谱FFT分析。

从表2可以看出，计算和仿真结果表明：有限元分析和路算吻合，具有很好的精度并满足工程要求。

从表3的变频特性来看，随着频率的变化，输出转矩、定子电流和转子频率也基本保持不变，符合异步电机恒转矩变频特性规律。从整个频率段来看，在变频供电下，电流比纯正弦电源供电大，在低频下电机可以以较大输出转矩启动，且电气性能在整个频率段也符合要求，表明电机方案可行，满足电气性能。

从图4可以看出：

1）非正弦供电下电流仿真计算值为101 A，与前面路算和正弦供电场算相吻合，符合工程实际。

图2 电机气隙磁密波形及FFT分析

图3 六相正弦供电ansoft simplore+Maxwell场路耦合模型

表3 变频电机主要变频特性

25 106.19 3876.52 197260.9 485.93 89.7 0.499 0.704 25.56 106.2 3876.23 201792.3 501.13 89.8 0.51 0.704

图4 电流波形及其中A相FFT分析

图5 转距-时间变化曲线

2）非正弦供电情况下与正弦供电相比，电流波形趋势一致，但非正弦供电下启动稳定后电流波形毛刺明显增多，谐波含量较多。

从图5可以看出，整个启动运行过程中相比与正弦供电情况电磁转矩抖动范围较大。由于电源谐波的影响，会使电机产生一系列的脉振转矩，因而其电磁转矩波动性变大。

图6 正弦供电下电机径向电磁力频谱FFT分析

从图6和图7可以看出，非正弦供电条件下与正弦供电条件下，主要的电磁频率一致，不会随供电方式的不同而不同，频率49.93 Hz和51.24 Hz同为2倍电源频率486 Hz，436.1 Hz，539.3 Hz 和486.2 Hz，435.6 Hz，537.4 Hz同为齿频， 同时在非正弦供电条件下，电磁力中出现了1倍开关频率及2倍开关频率±1倍的基波频率，这与变频供电理论相一致。表明采用此分析方法进行非正弦供电下电机的有限元分析是可行的。

图7 为非正弦供电下电机径向电磁力频谱FFT分析

4 试验测试

为验证设计的效果和正确性，进行了样机试验。振动测试设备采用B&K Puls振动噪声分析仪。图8为样机实测现场，表4为电机主要性能计算与试验对比。

从测试结果可以看出：电机性能符合设计要求，其中结构噪声为106 dB，空气噪声70 dB达到了预期目标。表明设计和计算吻合。

5 结论

本文所述的针对舰用变频低噪声变频异步电机电磁设计及相关减振降噪措施试验结果表明是有效的。

基于Ansoft simplore+Maxwell场路耦合有限元分析非正弦供电下的异步电机的振动噪声是可行的。采用该方法不仅可以看出开关频率及附近频率对振动噪声的影响，而且为电机的模态分析和如何采取措施如提高供电电源的正弦度和削弱开关频率及附近频率径向电磁力的幅值，低阶频率尽可能远离开关频率及附近频率无疑是有意和具有指导价值。

表4 变频电机主要性能计算与试验对比

图8 样机测试现场（弹性安装）

[1] 陈林. 多相感应电机空间电压矢量选择与控制研究［D］.华中科技大学博士论文, 2003.

[2] 王凤翔. 交流电机的非正弦供电［M］. 机械工业出版社, 1997.

[3] 陈永校等. 电机噪声的分析和控制［M］. 杭州∶ 浙江大学出版社.

[4] S.P. Verma, A. Balan. Determination of Radial forces in Relation to Noise and Vibration problems of squirrel-cage induction motors, IEEE Transactions on Energy.

Design of Variable-Frequency Asynchronous Motor for a Warship

Sun Liangyou

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

According to special design requirement and characteristics of non-sine power supply of a motor, a 690 V 200 kW six phase variable-frequency motor for warships is designed. Electromagnetic calculation and finite element analysis coupling electromagnetic field-circuit based on Ansoft simplorer +Maxwell are applied to analyze the program, and its prototype motor test is also done. Experimental results show that the motor's performance is satisfied to requirements, especially its vibration and noise are much lower than the same type low vibration and noise motor for warships, and verify its design is feasible and validity. The analysis methods and vibration reduction measures mentioned in this paper are helpful and valuable for low vibration and noise for an inverter-fed asynchronous motor design.

low vibration and noise; variable-frequency asynchronous motor; field-circuit coupled

TM346

A

1003-4862（2015）08-0076-05

2015-07-07

孙良友(1977-)，男，硕士，工程师。专业方向:舰船电气。