劉　擘

（海軍駐712所軍代室，武漢 430064）

艦用風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

劉擘

（海軍駐712所軍代室，武漢 430064）

針對(duì)艦用風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和運(yùn)行要求，研制了一臺(tái)10 kW風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明性能滿(mǎn)足要求，尤其振動(dòng)噪聲遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性和正確性。該方案采取的減振降噪措施和分析方法對(duì)艦用輔機(jī)減振降噪設(shè)計(jì)有良好的指導(dǎo)作用。

風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì);

0　引言

隨著我國(guó)綜合實(shí)力的增強(qiáng)，國(guó)外艦船在我國(guó)南海、東海等海域的監(jiān)聽(tīng)活動(dòng)日益增加，國(guó)家對(duì)低振動(dòng)、低噪聲艦船的需求日益增加。而輔機(jī)設(shè)備（風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)等）在全船的數(shù)量較多，其某些特征頻率直接或間接的影響聲吶等探測(cè)儀器的有效運(yùn)行；同時(shí)這些設(shè)備的運(yùn)行性能恰恰有時(shí)又被設(shè)計(jì)人員所忽視，給整條艦船的減振降噪帶來(lái)諸多的不便。

本文針對(duì)艦用推進(jìn)電機(jī)冷卻系統(tǒng)用風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，從減振降噪的角度對(duì)其控制方式和安裝型式進(jìn)行分析和試驗(yàn)對(duì)比，為輔機(jī)的減振降噪設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。試驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1　風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)和要求

a）額定輸出功率：10 kW

b）額定電壓：三相AC 220 V（通過(guò)變頻器供電）

c）額定頻率： 70±0.5 Hz

d）額定轉(zhuǎn)速： 2100 r/min

e）效率： ≥89%

f）功率因數(shù)：≥0.86

g）轉(zhuǎn)差率：≤5%

h）絕緣電阻：≥50 MΩ

i）防護(hù)形式：IP44

j）結(jié)構(gòu)形式：臥式，水平懸掛安裝；有底腳（IMB35）

k） 振動(dòng)速度級(jí)指標(biāo)：10～10 kHz頻率范圍內(nèi)，彈性安裝時(shí)振動(dòng)速度有效值的平均值≤0.45 mm/s

l）振動(dòng)加速度級(jí)指標(biāo)：彈性空載下≤ 120 dB （10 Hz～8 kHz）

2　電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及降噪措施

從GB10068-2008和GJB 763.2-1989可以看出，該風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是對(duì)振動(dòng)和噪聲的控制和抑制。同時(shí)該風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電，主要振動(dòng)源頻率為開(kāi)關(guān)頻率及倍頻和其旁頻，另外就是一階和二階齒諧波引起的齒頻，從降低振動(dòng)和噪聲的角度看，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)主要合理選擇槽配合，削弱齒頻分量，削弱諧波幅值等方式。

2.1電磁設(shè)計(jì)上采取的措施

為了達(dá)到減少振動(dòng)和噪聲的目的，電磁設(shè)計(jì)時(shí)采用定子斜槽、采用磁性槽楔。而槽配合選擇是否合理對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲的影響非常大，通過(guò)對(duì)36/28和36/44不同的槽配合進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　槽配合36/28 1/3倍頻程圖譜

通過(guò)圖1和圖2，可以看出采用36/44槽配合有效的降低了電動(dòng)機(jī)的特征線(xiàn)譜的幅值。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的措施

轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲影響非常大，滿(mǎn)足更好的動(dòng)平衡精度，設(shè)計(jì)人員往往注重于風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)本身的精度，忽視從全局進(jìn)行分析風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡精度和風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)動(dòng)平衡精度的公差累，導(dǎo)致設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的效果。

設(shè)計(jì)時(shí)，將風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行動(dòng)平衡。

2.3供電電源采取的措施

由于風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)由變頻器供電，而變頻器主要振動(dòng)源頻率為開(kāi)關(guān)頻率及倍頻和其旁頻，同時(shí)振動(dòng)的測(cè)試范圍為10 Hz-10 kHz，需盡可能的提高變頻器的開(kāi)關(guān)頻率。

圖3　不同開(kāi)關(guān)頻率下振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜對(duì)比

根據(jù)圖3可以得到，變頻器開(kāi)關(guān)頻率不同時(shí)，振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜基本重合。主要區(qū)別為：開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz時(shí)，圖譜中存在兩個(gè)與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的峰值，分別為5 kHz及10 kHz；開(kāi)關(guān)頻率為7.5 kHz時(shí)，圖譜中僅有一個(gè)與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的峰值，位于以8 kHz為中心頻率的頻段。開(kāi)關(guān)頻率升至7.5 kHz后，振動(dòng)加速度幅值有較大程度的下降。

由于功率器件的關(guān)斷，通過(guò)PMW調(diào)制，變頻器輸出存在大量的諧波，特別是高頻段的諧波，對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)的影響非常大，圖5為變頻器輸出加濾波器前后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

圖4　加濾波器前后振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜對(duì)比

可以看出加輸出濾波器后，有效的降低了風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)高頻段的振動(dòng)值。

2.4安裝方式采取的措施

由于風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)采用IBM35安裝方式，采用彈性法蘭盤(pán)和剛性法蘭盤(pán)進(jìn)行對(duì)比分析。彈性法蘭盤(pán)采用鋼板和橡膠采用模壓成型，保證配合緊密牢固可靠。

根據(jù)圖6可以得到，使用不同剛度的彈性法蘭及剛性法蘭時(shí)，電機(jī)底腳振動(dòng)加速度總值基本保持不變。轉(zhuǎn)頻振動(dòng)則隨法蘭剛度的增加而降低，剛性時(shí)底腳振動(dòng)速度僅0.24 mm/s。各不同剛度的彈性法蘭的內(nèi)外側(cè)，全頻段振動(dòng)加速度都下降20 dB左右；轉(zhuǎn)頻振動(dòng)加速度下降20 dB左右。剛性法蘭則對(duì)全頻段振動(dòng)均基本沒(méi)有衰減。但是由于剛性法蘭限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，因此傳遞到冷卻系統(tǒng)框架時(shí)，轉(zhuǎn)頻振動(dòng)速度最低。綜合考慮法蘭對(duì)電機(jī)振動(dòng)加速度及速度的衰減作用，設(shè)計(jì)選用剛度更高的彈性法蘭，以滿(mǎn)足兩者兼顧的要求。

圖5　彈性法蘭盤(pán)

圖6　不同法蘭下電機(jī)底腳振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜對(duì)比

3　樣機(jī)制造和試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝方式和供電電源等一系列的設(shè)計(jì)，完成10 kW風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造，見(jiàn)圖7。

在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，振動(dòng)測(cè)試設(shè)備采用B&K Puls振動(dòng)噪聲分析儀。

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)底腳減振器上下振動(dòng)加速度有約40 dB衰減，主要衰減頻段為1 kHz以上頻段。振動(dòng)速度由0.898 mm/s降低至0.142 mm/s，振動(dòng)加速度為115 dB，振動(dòng)速度空氣噪聲為72 dB(A)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7　風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)及安裝圖

圖8　減振器上下振動(dòng)加速度1/3倍頻程圖譜對(duì)比

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)艦用風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及采取相關(guān)減振降噪措施，試驗(yàn)結(jié)果表明是有效的。對(duì)站在系統(tǒng)全局的角度開(kāi)展輔機(jī)的減振降噪頻率無(wú)疑具有較高指導(dǎo)價(jià)值。

[1] 王鳳翔. 交流電機(jī)的非正弦供電[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2] 陳永校等. 電機(jī)噪聲的分析和控制[M]. 浙江: 浙江大學(xué)出版社.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)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

劉擘（1980-），男，工程師。研究方向：艦船電氣。