舰用风机电动机设计

刘　擘

（海军驻712所军代室，武汉 430064）

舰用风机电动机设计

刘擘

（海军驻712所军代室，武汉 430064）

针对舰用风机电动机的特点和运行要求，研制了一台10 kW风机电动机样机，试验结果表明性能满足要求，尤其振动噪声远低于指标要求，验证了优化设计的可行性和正确性。该方案采取的减振降噪措施和分析方法对舰用辅机减振降噪设计有良好的指导作用。

风机电动机减振降噪优化设计;

0　引言

随着我国综合实力的增强，国外舰船在我国南海、东海等海域的监听活动日益增加，国家对低振动、低噪声舰船的需求日益增加。而辅机设备（风机电动机、空压机等）在全船的数量较多，其某些特征频率直接或间接的影响声呐等探测仪器的有效运行；同时这些设备的运行性能恰恰有时又被设计人员所忽视，给整条舰船的减振降噪带来诸多的不便。

本文针对舰用推进电机冷却系统用风机电动机开展优化设计，从减振降噪的角度对其控制方式和安装型式进行分析和试验对比，为辅机的减振降噪设计提供技术支持。试验结果表明，达到了设计目标。

1　风机电动机技术参数和要求

a）额定输出功率：10 kW

b）额定电压：三相AC 220 V（通过变频器供电）

c）额定频率： 70±0.5 Hz

d）额定转速： 2100 r/min

e）效率： ≥89%

f）功率因数：≥0.86

g）转差率：≤5%

h）绝缘电阻：≥50 MΩ

i）防护形式：IP44

j）结构形式：卧式，水平悬挂安装；有底脚（IMB35）

k） 振动速度级指标：10～10 kHz频率范围内，弹性安装时振动速度有效值的平均值≤0.45 mm/s

l）振动加速度级指标：弹性空载下≤ 120 dB （10 Hz～8 kHz）

2　电动机设计及降噪措施

从GB10068-2008和GJB 763.2-1989可以看出，该风机电动机的主要设计难点是对振动和噪声的控制和抑制。同时该风机电动机采用变频器供电，主要振动源频率为开关频率及倍频和其旁频，另外就是一阶和二阶齿谐波引起的齿频，从降低振动和噪声的角度看，风机电动机的设计主要合理选择槽配合，削弱齿频分量，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、采用磁性槽楔。而槽配合选择是否合理对电机振动噪声的影响非常大，通过对36/28和36/44不同的槽配合进行对比分析结果见图1、图2。

图1　槽配合36/28 1/3倍频程图谱

通过图1和图2，可以看出采用36/44槽配合有效的降低了电动机的特征线谱的幅值。

2.2结构设计采取的措施

转子的动平衡精度对风机电动机的振动噪声影响非常大，满足更好的动平衡精度，设计人员往往注重于风机电动机本身的精度，忽视从全局进行分析风机动平衡精度和风机电动机动平衡精度的公差累，导致设计没有达到预想的效果。

设计时，将风机电动机和风机作为一个整体进行动平衡。

2.3供电电源采取的措施

由于风机电动机由变频器供电，而变频器主要振动源频率为开关频率及倍频和其旁频，同时振动的测试范围为10 Hz-10 kHz，需尽可能的提高变频器的开关频率。

图3　不同开关频率下振动加速度1/3倍频程图谱对比

根据图3可以得到，变频器开关频率不同时，振动加速度1/3倍频程图谱基本重合。主要区别为：开关频率为5 kHz时，图谱中存在两个与开关频率有关的峰值，分别为5 kHz及10 kHz；开关频率为7.5 kHz时，图谱中仅有一个与开关频率相关的峰值，位于以8 kHz为中心频率的频段。开关频率升至7.5 kHz后，振动加速度幅值有较大程度的下降。

由于功率器件的关断，通过PMW调制，变频器输出存在大量的谐波，特别是高频段的谐波，对风机电动机的振动的影响非常大，图5为变频器输出加滤波器前后的振动测试结果。

图4　加滤波器前后振动加速度1/3倍频程图谱对比

可以看出加输出滤波器后，有效的降低了风机电动机高频段的振动值。

2.4安装方式采取的措施

由于风机电动机采用IBM35安装方式，采用弹性法兰盘和刚性法兰盘进行对比分析。弹性法兰盘采用钢板和橡胶采用模压成型，保证配合紧密牢固可靠。

根据图6可以得到，使用不同刚度的弹性法兰及刚性法兰时，电机底脚振动加速度总值基本保持不变。转频振动则随法兰刚度的增加而降低，刚性时底脚振动速度仅0.24 mm/s。各不同刚度的弹性法兰的内外侧，全频段振动加速度都下降20 dB左右；转频振动加速度下降20 dB左右。刚性法兰则对全频段振动均基本没有衰减。但是由于刚性法兰限制了电机的转频振动，因此传递到冷却系统框架时，转频振动速度最低。综合考虑法兰对电机振动加速度及速度的衰减作用，设计选用刚度更高的弹性法兰，以满足两者兼顾的要求。

图5　弹性法兰盘

图6　不同法兰下电机底脚振动加速度1/3倍频程图谱对比

3　样机制造和试验

通过对风机电动机的设计、安装方式和供电电源等一系列的设计，完成10 kW风机电动机的设计制造，见图7。

在此基础上，开展振动噪声试验，振动测试设备采用B&K Puls振动噪声分析仪。

通过对风机电动机的优化设计，风机电动机底脚减振器上下振动加速度有约40 dB衰减，主要衰减频段为1 kHz以上频段。振动速度由0.898 mm/s降低至0.142 mm/s，振动加速度为115 dB，振动速度空气噪声为72 dB(A)，达到设计要求。

图7　风机电动机样机及安装图

图8　减振器上下振动加速度1/3倍频程图谱对比

4　结论

本文通过对舰用风机电动机的优化设计及采取相关减振降噪措施，试验结果表明是有效的。对站在系统全局的角度开展辅机的减振降噪频率无疑具有较高指导价值。

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

[2] 陈永校等. 电机噪声的分析和控制[M]. 浙江: 浙江大学出版社.

[3] 陈世坤.电机设计[M]. 北京:机械工业出版社，2001.

Design of Fan Motor for Warships

Liu Bo
(Naval Representatives Office in 712 Research Institute，Wuhan 430064，China)

Aimed at the characteristics and operation requirements of a fan motor，a 10 kW prototype motor is designed and manufactured. Experimental results show that the prototype meets the performance requirements，and its vibration and noise are much lower than the requirements of indicators，which verifies the feasibility and correctness of the optimization design. Thus，the analysis method for the reduction of vibration and noise mentioned in this paper is helpful and valuable for low vibration and noise design of an auxiliary machine on warships.

low vibration and noise; fan motor; design optimization;

TM32

A

1003-4862（2015）12-0041-03

2015-09-07

刘擘（1980-），男，工程师。研究方向：舰船电气。