徐一品

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

3.25 MW船用主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

徐一品1，2

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

介紹了3.25 MW船用主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。指出船用主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)空間有限，環(huán)境空氣潮濕，變頻調(diào)速運(yùn)行及前后左右搖晃等工況。介紹了主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁密、絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻方式、機(jī)座結(jié)構(gòu)、軸的結(jié)構(gòu)、軸承止推結(jié)構(gòu)及鹽霧防護(hù)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和方法。最后通過(guò)對(duì)該電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中溫升和振動(dòng)數(shù)值的分析，證實(shí)了電機(jī)設(shè)計(jì)方法的合理性。

變頻電機(jī)；船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī) ；風(fēng)路；軸電流

0 引言

船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī)是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的重要部件。電動(dòng)機(jī)的性能及質(zhì)量直接影響著船舶的運(yùn)行安全。船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī)受到船體結(jié)構(gòu)的限制、外形尺寸和重量都有特殊的要求。為了滿足安裝要求，電動(dòng)機(jī)采用了更小的中心高和緊湊的結(jié)構(gòu)。本電動(dòng)機(jī)功率3 250 kW，合理地設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷、提高效率、增強(qiáng)散熱能力使電動(dòng)機(jī)溫升符合標(biāo)準(zhǔn)是電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)：

?型號(hào)：YBKS630-6

?功率：3 250 kW

?額定電壓：3×3×675 V 三變頻器供電

?額定頻率：50 Hz

?冷卻方式：IC86W 淡水

?額定轉(zhuǎn)速：1 000 r/min

?轉(zhuǎn)速范圍：0～1 000 r/min 恒轉(zhuǎn)矩 1 000～1 100 r/min 恒功率

?外形尺寸要求：3 150 mm×2 600 mm×2 400 mm

?效率96.8%，功率因數(shù)0.85 。

?電動(dòng)機(jī)采用F級(jí)絕緣、F級(jí)考核，

1.2 電動(dòng)機(jī)損耗與磁密

由于變頻器以非正弦波供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)除了由基波電壓產(chǎn)生的損耗外，還有變頻電源中的諧波和負(fù)序電壓產(chǎn)生的附加損耗。這些附加損耗取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓、電流及變頻器輸出波形。如果變頻器沒(méi)有串聯(lián)電感和濾波器，這些損耗一般是基本損耗的10%～20%。所以電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小定、轉(zhuǎn)子電阻，減少附加銅耗。為了減少高次諧波的影響，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃箅妱?dòng)機(jī)電感。另外，考慮諧波的影響，電動(dòng)機(jī)的磁路設(shè)計(jì)不能飽和而應(yīng)留有裕度。電動(dòng)機(jī)定子齒部磁密Bt1=1.558 T，轉(zhuǎn)子齒部磁密Bt2=1.709 T。

1.3 電動(dòng)機(jī)絕緣

由于變頻器提供的是方波電壓，du/dt較大，這可能破壞電動(dòng)機(jī)絕緣，影響電動(dòng)機(jī)壽命。所以電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)絕緣性能。本電動(dòng)機(jī)采用變頻少膠絕緣規(guī)范，加強(qiáng)了對(duì)地絕緣和匝間絕緣。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 冷卻方式

船用電動(dòng)機(jī)冷卻方式一般有空空冷IC611、空水冷IC81W、強(qiáng)迫空冷IC666及強(qiáng)迫水冷IC86W等方式。由于船艙環(huán)境密封，空氣與外部很難交換，所以電動(dòng)機(jī)采用空水冷卻。因?yàn)榇弥魍七M(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍從0 r/min到1 100 r/min。電動(dòng)機(jī)低速時(shí)，軸上風(fēng)扇的換熱效果明顯降低。為了提高電動(dòng)機(jī)低速時(shí)的換熱的能力，減少電動(dòng)機(jī)溫升，電動(dòng)機(jī)的冷卻方式采用IC86W。

由于電動(dòng)機(jī)高度尺寸限制，電動(dòng)機(jī)冷卻采用對(duì)稱風(fēng)路結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)總圖見(jiàn)圖1。

2.2 電動(dòng)機(jī)機(jī)座設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)機(jī)功率大，電磁轉(zhuǎn)矩較標(biāo)準(zhǔn)系列電動(dòng)機(jī)高很多。為了增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)機(jī)座強(qiáng)度并減少電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，電動(dòng)機(jī)機(jī)座中壁厚度放大，并在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部支撐鋼板，提高機(jī)座整體強(qiáng)度。機(jī)座見(jiàn)圖2。

圖1 電動(dòng)機(jī)總圖

圖2 機(jī)座

電動(dòng)機(jī)采用三繞組供電，電纜根數(shù)較多。為了減少出線電纜對(duì)電動(dòng)機(jī)風(fēng)路的影響，將電動(dòng)機(jī)其中兩個(gè)出線盒放置在電動(dòng)機(jī)接線端側(cè)。

2.3 電動(dòng)機(jī)軸的設(shè)計(jì)

軸采用焊筋軸結(jié)構(gòu)，焊筋中安裝通風(fēng)隔板。軸的撓度經(jīng)計(jì)算校驗(yàn)，撓度值0.028 mm(考慮單邊磁拉力的影響)占?xì)庀兜?.3%，小于氣隙的10%。

2.4 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

逆變器引起的共模電壓會(huì)在電動(dòng)機(jī)軸上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。這種感應(yīng)電勢(shì)超過(guò)一定的值后就會(huì)擊穿軸承油膜，對(duì)軸承造成致命傷害。電動(dòng)機(jī)軸承采用前、后絕緣結(jié)構(gòu)以提高擊穿電壓值。在軸伸端安裝有接地碳刷，可將軸電流通過(guò)機(jī)殼引入大地，起到雙重保護(hù)。電動(dòng)機(jī)前軸承見(jiàn)圖3。

為了克服船體傾斜所帶來(lái)的推力，電動(dòng)機(jī)前軸承采用圓柱滾子軸承。電動(dòng)機(jī)后軸承采用背靠背單列角接觸球軸承，可以克服電動(dòng)機(jī)前后傾斜時(shí)所帶來(lái)的自身徑向力。角接觸軸承外采用緊固螺母與止動(dòng)墊圈鎖緊。電動(dòng)機(jī)后軸承見(jiàn)圖4。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：1)每個(gè)軸承負(fù)責(zé)一個(gè)方向的推力。2)牢固可靠壽命長(zhǎng)。3)安裝方便。4)價(jià)格便宜。

這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是軸承內(nèi)部軸承加油困難。

圖3 電動(dòng)機(jī)前軸承

圖4 電動(dòng)機(jī)后軸承

2.5 其他防護(hù)

為了提高出線盒的防護(hù)等級(jí)，出線盒口采用填料函密封結(jié)構(gòu)。主出線盒見(jiàn)圖5。

為了適應(yīng)海上嚴(yán)峻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。電動(dòng)機(jī)所有的外露緊固件、金屬件、電動(dòng)機(jī)表面油漆按防鹽霧要求處理。

圖5 主出線盒

3 電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電動(dòng)機(jī)在制造完成后，通過(guò)變頻器供電的發(fā)電機(jī)組供電時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1、表2。

表1 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)值

表2 電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)數(shù)值

4 結(jié)語(yǔ)

從表1、表2中可以看出：1)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，振動(dòng)值在國(guó)標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。2)電動(dòng)機(jī)的絕緣系統(tǒng)為F級(jí)，繞組溫升按F級(jí)考核。埋置法允許溫升為105 K，實(shí)測(cè)溫升為93 K，溫升仍有裕度。

船用電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況較差，負(fù)載波動(dòng)較大不規(guī)律。在推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要放充足的余量。這次電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造成功，為以后設(shè)計(jì)和制造上提供了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2000.

[2] 顏楓，顏繁利.船用變頻電機(jī)與普通電機(jī)在設(shè)計(jì)上的區(qū)別[J].防爆電機(jī),2012(2):18～19.

徐一品，男，1986年生，2008年合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程畢業(yè)。自畢業(yè)以來(lái)一直在上海電機(jī)廠從事中型異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。2012年3就讀上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院在職碩士。