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        水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)分析及控制對策

        2013-08-26 02:46:44范則陽
        艦船科學(xué)技術(shù) 2013年10期
        關(guān)鍵詞:輔機(jī)電磁力航行

        彭 威,范則陽,夏 偉,曹 晨,邢 劍

        (中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430064)

        0 引言

        工程上,水下航行器噪聲源被分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲等3類。在中低速狀態(tài)下,機(jī)械噪聲對水下航行器輻射噪聲的影響最大[1]。降低機(jī)械噪聲一直是水下航行器減振降噪的研究熱點(diǎn),其中輔機(jī)是產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要來源之一。對于水下航行器輔機(jī)來說,無論是直接的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲,還是通過空氣向艙室輻射的空氣噪聲,都來源于作為驅(qū)動(dòng)源的電機(jī)振動(dòng),因此,對輔機(jī)配套電機(jī)的振動(dòng)原因進(jìn)行分析,從源頭上開展輔機(jī)振動(dòng)噪聲的控制,是水下航行器減振降噪研究的重要內(nèi)容,也是下一步開展振動(dòng)噪聲“精細(xì)化”控制的方向之一。

        本文從理論角度討論水下航行器輔機(jī)電機(jī)的振動(dòng)原因,結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件和實(shí)際使用情況,提出幾種較可行的控制對策。

        1 水下航行器輔機(jī)電機(jī)的振動(dòng)原因

        1.1 電機(jī)振動(dòng)的分類

        電動(dòng)機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)裝置,其振動(dòng)主要包括電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)及流體動(dòng)力振動(dòng)等3類。由電機(jī)氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力激發(fā)的振動(dòng)稱為電磁振動(dòng);機(jī)械振動(dòng)由電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡、軸承及其他機(jī)械接觸部件的摩擦等產(chǎn)生;流體動(dòng)力振動(dòng)主要指因電機(jī)運(yùn)行而導(dǎo)致的與電機(jī)各部件接觸的流體擾動(dòng),包括轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)等引起的空氣振動(dòng)或水等液態(tài)介質(zhì)的流體振動(dòng)。水下航行器輔機(jī)電機(jī)功率不大,且較多地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載,不采用水冷即可滿足散熱要求,因此,流體動(dòng)力振動(dòng)主要指空氣振動(dòng)。

        1.2 電磁振動(dòng)的產(chǎn)生根源及徑向電磁力分析

        按機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的原理,任何電機(jī)都是通過定、轉(zhuǎn)子磁勢在氣隙中產(chǎn)生的氣隙磁場傳遞電磁功率,以電磁轉(zhuǎn)矩 (或電磁力)的形式將電磁功率傳遞給負(fù)載。但氣隙磁場除產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電磁轉(zhuǎn)矩外,還附帶產(chǎn)生各次徑向、軸向電磁力以及不規(guī)則的切向電磁力。正是在這些電磁力的作用下,轉(zhuǎn)子、定子鐵芯以及機(jī)座才發(fā)生周期性振動(dòng),稱之為電磁振動(dòng)。

        軸向電磁力通過軸承、端蓋轉(zhuǎn)化為軸向機(jī)械振動(dòng),通??珊雎圆挥?jì);切向電磁力與產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電磁力方向相同或相反,文獻(xiàn) [3]認(rèn)為其與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有關(guān),與機(jī)殼的振動(dòng)沒有關(guān)系。文獻(xiàn) [2]指出,切向電磁力通過機(jī)殼向外傳遞振動(dòng)主要體現(xiàn)在使定子齒根彎曲,產(chǎn)生局部振動(dòng),也不是電磁振動(dòng)的主要原因。可見,分析電機(jī)電磁振動(dòng)主要是分析由氣隙磁場產(chǎn)生的徑向電磁力。

        由于電機(jī)氣隙磁場決定于定、轉(zhuǎn)子繞組磁勢和氣隙磁導(dǎo),所以,電磁振動(dòng)的產(chǎn)生只與定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢和氣隙磁導(dǎo)有關(guān)。按電機(jī)設(shè)計(jì)理論,氣隙合成磁勢可用下式表示:

        式中:fp(θ,t)為主波合成磁勢,它是機(jī)械角位移θ和時(shí)間t的函數(shù);分別為定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢的和。

        氣隙磁導(dǎo)與定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和機(jī)械角位移θ有關(guān),由于異步電動(dòng)機(jī)存在定、轉(zhuǎn)子間的相對旋轉(zhuǎn),還與時(shí)間t有關(guān),可以表示為Λ(θ)或Λ(θ,t)。

        根據(jù)麥克斯韋定律,電機(jī)氣隙中單位面積徑向電磁力的瞬時(shí)值可表示為

        式中b(θ,t)為氣隙磁密。在不考慮鐵心磁阻時(shí),b(θ,t)可按下式計(jì)算:

        由此可得出各類電機(jī)的徑向電磁力。從徑向電磁力的分析結(jié)果可得出電機(jī)電磁振動(dòng)的基本特征。

        對于異步電動(dòng)機(jī),由主磁場產(chǎn)生的幅值較高、以極數(shù)2p為交變頻率的徑向電磁力,雖然不可避免,但通常只在2極大型電機(jī)中重點(diǎn)考慮;由定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場產(chǎn)生的幅值較小、低次諧波、交變徑向電磁力,與諧波次數(shù)有關(guān)。諧波次數(shù)越低,電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)越大,且該徑向電磁力與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)密切相關(guān);當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒槽參數(shù)確定后,定、轉(zhuǎn)子繞組磁勢中的齒諧波就不會(huì)因繞組形式的改變而削弱了,多數(shù)情況下,這是產(chǎn)生電機(jī)電磁振動(dòng)的主要原因[2,4]。因此需在設(shè)計(jì)中盡量減小低次電磁力的影響,同時(shí)考慮定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)的配合及齒槽參數(shù)。

        對于同步電機(jī),主磁場產(chǎn)生的電磁力也不可避免。不過,由于存在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場,分析定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場產(chǎn)生的電磁力時(shí),需考慮轉(zhuǎn)子磁場對定子的影響。

        與交流電機(jī)不同的是,直流電機(jī)的電磁振動(dòng)主要考慮主磁極與電樞槽間的齒頻電磁力,與磁極、槽形及每極槽數(shù)有關(guān)。

        1.3 電機(jī)機(jī)械振動(dòng)和空氣振動(dòng)原因分析

        電機(jī)機(jī)械振動(dòng)是指因電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的由機(jī)械原因?qū)е碌恼駝?dòng)。因此分析機(jī)械振動(dòng),只需要考慮電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件,或與旋轉(zhuǎn)部件相接觸的部件。對于旋轉(zhuǎn)電機(jī),就是轉(zhuǎn)子、電刷、換向器、軸承以及與軸承接觸的端蓋等。如果電機(jī)同軸帶勵(lì)磁機(jī)、風(fēng)扇等,也需單獨(dú)考慮。機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因較單一,通常都是因?yàn)椴粚ΨQ、不平衡、不均勻、精度低、潤滑差等造成。但處理起來往往更麻煩,有時(shí)受原理結(jié)構(gòu)、制造水平及工藝等因素的限制而“束手無策”。

        空氣振動(dòng)是由電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生空氣旋轉(zhuǎn)、振蕩、渦流等導(dǎo)致的振動(dòng)。空氣旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng),頻率與風(fēng)扇葉片數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比,分析、確定比較容易;但大中型電機(jī)中,需要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道中結(jié)構(gòu)件的影響,避免產(chǎn)生“類風(fēng)扇”的空氣旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。轉(zhuǎn)子齒槽、風(fēng)扇葉片上的凹槽等結(jié)構(gòu),是產(chǎn)生空氣振蕩的主要原因。相比之下,空氣渦流在電機(jī)空氣振動(dòng)原因中最難分析,需要考慮氣體流量、風(fēng)扇外徑、周速、結(jié)構(gòu)形式,結(jié)合電機(jī)溫升限值綜合分析。

        2 水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)控制的特點(diǎn)及對策

        2.1 水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)控制的特點(diǎn)

        水下航行器是將動(dòng)力裝置、武器裝備、通信導(dǎo)航、生活保障等多個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)封閉的殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的復(fù)雜水下平臺(tái)。使用平臺(tái)的特殊性,決定了水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)的一些特點(diǎn)。

        首先,環(huán)境及運(yùn)行工況復(fù)雜,增加了輔機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)的難度,對電機(jī)振動(dòng)的控制帶來一定影響。水下航行器使用環(huán)境條件嚴(yán)酷 (如大角度縱傾、橫搖),輔機(jī)機(jī)艙通風(fēng)散熱條件差,空氣溫濕度較高,這些因素要求從設(shè)計(jì)上對電機(jī)結(jié)構(gòu)、溫升、絕緣電阻以及壽命等采取加強(qiáng)措施,增加了電機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性,不利于振動(dòng)噪聲的控制。同時(shí),為保證可靠性,水下航行器輔機(jī)使用時(shí)的功能備份、功率冗余情況較多,電機(jī)的運(yùn)行工況較復(fù)雜,給電機(jī)振動(dòng)的分析和控制帶來困難。

        其次,輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)噪聲的控制與電機(jī)尺寸、重量的控制相互影響,不利于電機(jī)噪聲性能的優(yōu)化。眾所周知,為減小激振力引起的設(shè)備振動(dòng),增加激振力所作用物體的重量是最有效的方法之一。對于電機(jī)來說,要減小徑向電磁力的噪聲影響,通常采取定子、機(jī)座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的途徑來實(shí)現(xiàn)。但是,這與水下航行器空間有限,設(shè)備尺寸、重量需嚴(yán)格控制的要求存在矛盾。因此,需多方案優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到噪聲控制目標(biāo)的同時(shí),滿足尺寸、重量控制要求。

        最后,其他一些外部因素會(huì)引起水下航行器輔機(jī)電機(jī)噪聲特性的不確定性,增加了噪聲控制的難度。例如,水下航行器特殊的殼體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)對輔機(jī)電機(jī)共振源的產(chǎn)生有一定作用;供電電源的紋波電壓以及變工況時(shí)的瞬態(tài)電壓可能會(huì)對電機(jī)輸出平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

        2.2 水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)控制的對策

        水下航行器輔機(jī)電機(jī)的噪聲主要來自于電磁、機(jī)械、流體振動(dòng),但振動(dòng)噪聲的控制,面臨著環(huán)境條件、使用工況、安裝布置以及其他外部因素的制約,具有顯著的特殊性,其方法包括電機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)、隔振、總體減振布置等??偨Y(jié)起來,各種方法都可以歸結(jié)為以下3個(gè)對策:

        1)內(nèi)科的對策

        為降低與電機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的振動(dòng)、噪聲而采取的措施,稱之為“內(nèi)科的對策”,通常采用各種優(yōu)化算法或理論。

        如前所述,合理的選擇異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù),可以減小定、轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向電磁力,減小齒諧波產(chǎn)生的電磁振動(dòng)[5];永磁電機(jī)定子槽數(shù)、永磁體磁極的優(yōu)化配置,對于減小齒諧波轉(zhuǎn)矩有顯著影響;直流電機(jī)電樞槽形、磁極數(shù)等的選擇可以決定其齒頻電磁力的大小。因此,電機(jī)設(shè)計(jì)過程中,只要能在電磁場分析時(shí)明確各電磁力的時(shí)間諧波和空間諧波分布,并開展電機(jī)定、轉(zhuǎn)子固有振動(dòng)特性的分析計(jì)算,就能做到電機(jī)振動(dòng)幅值、頻率的控制。

        顯然,“內(nèi)科的對策”必須由電機(jī)設(shè)計(jì)方實(shí)施??紤]到成熟度、可靠性等因素,水下航行器的輔機(jī)一般選用常規(guī)類型的電機(jī),相關(guān)設(shè)計(jì)理論成熟,再輔以先進(jìn)的計(jì)算處理技術(shù),設(shè)計(jì)出合格的低噪聲電機(jī)并不難做到。

        2)外科的對策

        即使采取最完善的理論設(shè)計(jì)出的電機(jī),仍有可能出現(xiàn)不明原因的振動(dòng)噪聲源,例如1.3節(jié)提到的因電機(jī)制造工藝而產(chǎn)生的對內(nèi)科來說“束手無策”的振動(dòng)源。這種情況下,就必須從電機(jī)結(jié)構(gòu)外采取措施了。例如,在電機(jī)機(jī)座上增加加強(qiáng)筋,散熱的同時(shí)可以改變結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率;給電機(jī)設(shè)計(jì)合適的隔振裝置,減小振動(dòng)傳遞等。

        這種對已設(shè)計(jì)成型的、機(jī)座以外的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、噪聲而采取的措施,稱之為“外科的對策”。這種對策目前在水下航行器的輔機(jī)振動(dòng)、噪聲控制方面應(yīng)用廣泛,主要由總體、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方實(shí)施。

        水下航行器的輔機(jī)及其系統(tǒng)具有較大的繼承性、相似性,經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究、經(jīng)驗(yàn)積累,設(shè)計(jì)者可以準(zhǔn)確定位輔機(jī)振動(dòng)的外部特征點(diǎn),進(jìn)而采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化、隔振處理措施。實(shí)踐證明,采用“外科的對策”控制水下航行器輔機(jī)振動(dòng)噪聲,效果明顯。

        3)神經(jīng)科的對策

        除了從電機(jī)本體設(shè)計(jì)、外部減振優(yōu)化方面采取措施以外,還應(yīng)從供電電源、控制方式等角度考慮振動(dòng)、噪聲的影響因素。為降低這種因素的影響而采取的措施,稱之為“神經(jīng)科的對策”。

        直流幅壓電機(jī)由蓄電池組供電,供電電壓變化范圍較大,且不能控制,造成直流幅壓電機(jī)輸出范圍、尺寸、重量普遍較大,運(yùn)行控制比較粗放,不利于系統(tǒng)低噪聲運(yùn)行控制。

        水下航行器輔機(jī)用交流電機(jī)一般為異步電動(dòng)機(jī)或永磁無刷電動(dòng)機(jī),采用專用的變頻調(diào)速裝置供電,通過轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán),結(jié)合先進(jìn)的控制算法,可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出的精確控制。理論上交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有節(jié)能降噪的優(yōu)勢,但實(shí)踐表明,仍不可忽視變頻輸出、控制策略等對噪聲振動(dòng)的影響[6]。例如,由于電流諧波、畸變的影響,永磁無刷電機(jī)輸入電流為方波會(huì)比輸入正弦波電流產(chǎn)生更大的振動(dòng)[7];通過對PWM調(diào)制方式、換相技術(shù)的優(yōu)化以及采取電流補(bǔ)償?shù)却胧?,可以顯著改善調(diào)速系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲水平[8-9]。

        此外,輔機(jī)電機(jī)啟動(dòng)、變工況運(yùn)行及停機(jī)過程會(huì)對負(fù)載產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊,極易引起管路的瞬態(tài)振動(dòng)和噪聲,需從控制角度開展操作使用優(yōu)化,減少輔機(jī)運(yùn)行操作時(shí)的瞬態(tài)噪聲源。

        從供電品質(zhì)、控制策略等角度開展輔機(jī)電機(jī)的減振降噪設(shè)計(jì),符合總體“主動(dòng)”聲學(xué)設(shè)計(jì)的要求,是水下航行器輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的重要內(nèi)容,也是進(jìn)一步控制總體機(jī)械噪聲水平的重要措施。

        3 結(jié)語

        本文從電機(jī)理論角度簡述水下航行器輔機(jī)電機(jī)的振動(dòng)原因,對常見的引起電磁振動(dòng)的徑向電磁力做了針對性的分析。同時(shí),從水下航行器輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的特殊性出發(fā),介紹了降低輔機(jī)電機(jī)振動(dòng)噪聲的3種對策,指出供電品質(zhì)、控制策略是進(jìn)一步降低水下航行器輔機(jī)振動(dòng)噪聲的重要措施。

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