CN102983696B - 一种舰船用电机及其降振降噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰船用电机降振降噪方法，从减小电磁激振力及避免电磁激振力的频率与电机定子铁心的固有频率相重合两个方面对现有舰船用三相异步电动机进行改进，最大限度避免或削弱由电磁激振力产生的低频振动，减小高频振动。按照在水下振动的频率越低振动传播能力越强的原理，可大幅度降低现有舰船用三相异步电动机的低频振动加速度级和总振级，从而提高舰船的静音能力，减小舰船被声纳设备发现的距离。

Description

一种舰船用电机及其降振降噪方法

技术领域

本发明涉及一种舰船用电机及其降振降噪方法。

背景技术

目前,一般用途的电动机振动考核指标为：振动速度、振动加速度、振动位移，而舰船用三相异步电动机主要考核振动在水下的传播能力，从而减小舰船被声纳设备发现的距离。舰船用三相异步电动机的振动以振动加速度级的型式考核，直接表征振动所具有的能量及振动的传播能力。此种情况下的振动称为结构噪声。用传统电机的电磁设计方法，电机的电磁振动较大，不能够满足舰船环境的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种舰船用电机及其降振降噪方法，能够降低现有舰船上使用的电机的结构噪声，减小舰船被声纳设备发现的距离。

本发明采用下述技术方案：

一种舰船用电机降振降噪方法，按以下规则选取定子槽与转子槽的数量：

Q2≠3PG±1；Q2≠3PG±P/2±1；Q2≠3PG±P±1；Q2≠Q1±1；Q1-Q2≠±P±1；│Q1-Q2│≠0、1、2、3、4，│Q1-Q2│≠P、P±1、P±2、P±3、P±4；│Q1-Q2│≠P/2、P/2±1、P/2±2、P/2±3、P/2±4；其中，Q1为定子槽数，Q2为转子槽数，P为电机极数，G为任意整数，并增加定子槽数，使最后确定的定子槽数大于电机原有的定子槽数；

分别计算电机的电磁激振力的阶数、频率和同阶下定子铁心固有频率，按照电磁激振力频率和同阶下定子铁心固有频率相差超过10％的原则，调整铁心轭直径；

所述的电磁激振力阶数m＝ka-kb；激振力频率f＝│(ka+kb)*Q2/T*(1-s)+2│*f1，其中ka为定子谐波次数，kb为转子谐波次数，Q2为转子槽数，T为极对数，s为转差率，f1为电源频率；

0阶下定子铁心固有频率1阶下定子铁心固有频率2阶及以上定子铁心固有频率：其中Dc为铁心轭平均直径，E为铁心弹性模数，ρ为铁心密度，Δ为质量附加系数，Δ＝(Gt+Gw)/Gc，其中Gc为铁心轭重量，Gt为齿重量，Gw绕组部分重量， ${\mathrm{\Δ}}_m=1+\frac{Q_1{S}_t^{*}{h}_t^3}{\mathrm{\π}{D}_{c}I}\{\frac{1}{3}+\frac{h_c}{2h_t}{\left(\frac{h_c}{2h_t}\right)}^2\},$ Q1为定子槽数，ht为齿高，St^*＝St*(Gt+Gw)/Gc，St为齿部平均截面积，I为截面惯性矩， $\mathrm{\Φm}=\frac{1}{1+\frac{{h_c}^2}{{\mathrm{Dc}}^2}\frac{(m^2-1)[m^2(4+\mathrm{\Δm}/\mathrm{\Δ})+3]}{m^2+1}};$

采用“人”字形斜槽，并在转子中部增设短路环；

在满足定子绕组嵌线需要的前提下，减小定子槽口宽度；转子槽型采用梨形槽、平底凸形槽或圆底凸形槽；

采用相对磁导率在2至4.55之间的磁性槽楔；

在保证电气性能的前提下，增大气隙长度；

利用μ次谐波的消弱系数公式sin(μa_sk/2)/(μa_sk/2)，计算出μ次谐波消弱系数最大时的斜槽度a_sk，作为电机的斜槽度；

在定子绕组中增加均压线。

本发明从减小电磁激振力及避免电磁激振力的频率与电机定子铁心的固有频率相重合两个方面对现有舰船用三相异步电动机进行改进，最大限度避免或削弱由电磁激振力产生的低频振动，减小高频振动。按照在水下振动的频率越低振动传播能力越强的原理，可大幅度降低现有舰船用三相异步电动机的低频振动加速度级和总振级，从而提高舰船的静音能力，减小舰船被声纳设备发现的距离。

附图说明

图1为本发明所述梨形槽的结构示意图；

图2为本发明所述平底凸形槽的结构示意图；

图3为本发明所述圆底凸形槽的结构示意图；

图4为本发明所述“人”字形斜槽的结构示意图；

图5为本发明所述设置有均压线的定子绕组的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种舰船用电机降振降噪方法，此方法包括以下措施：

第一项：按以下规则选取定子槽与转子槽的数量：Q2≠3PG±1；Q2≠3PG±P/2±1；Q2≠3PG±P±1；Q2≠Q1±1；Q1-Q2≠±P±1；│Q1-Q2│≠0、1、2、3、4，│Q1-Q2│≠P、P±1、P±2、P±3、P±4；│Q1-Q2│≠P/2、P/2±1、P/2±2、P/2±3、P/2±4；其中，Q1为定子槽数，Q2为转子槽数，P为电机极数，G为任意整数，并增加定子槽数，使最后确定的定子槽数大于电机原有的定子槽数。此项措施能够避免或减少定转子谐波磁场，特别是一、二阶齿谐波相互耦合产生的4阶及以下的激振力；增加定子槽数后，可以提高磁场的正弦度，减少谐波含量。

第二项：分别计算电机的电磁激振力的阶数、频率和同阶下定子铁心固有频率，按照电磁激振力频率和同阶下定子铁心固有频率相差超过10％的原则，调整铁心轭直径。

电磁激振力阶数m＝ka-kb；激振力频率f＝│(ka+kb)*Q2/T*(1-s)+2│*f1，其中ka为定子谐波次数，kb为转子谐波次数，Q2为转子槽数，T为极对数，s为转差率，f1为电源频率；

0阶下定子铁心固有频率 $f_{m=0}=1/\left(\mathrm{\πDc}\right)*\sqrt{\frac{981E}{\mathrm{\ρ\Δ}}};$

1阶下定子铁心固有频率 $f_{m=1}=f_{m=0}*\sqrt{\frac{2}{1+{h_c}^2/\left(3{\mathrm{Dc}}^2\right)*\mathrm{\Δm}/\mathrm{\Δ}}};$

2阶及以上定子铁心固有频率： $f_m=f_{m=0}*\frac{1}{\sqrt{3}}*\frac{h_c}{\mathrm{Dc}}*\frac{m(m^2-1)}{m^2+1}\mathrm{\Φm};$

其中Dc为铁心轭平均直径，E为铁心弹性模数，ρ为铁心密度，Δ为质量附加系数，Δ＝(Gt+Gw)/Gc，其中Gc为铁心轭重量，Gt为齿重量，Gw绕组部分重量， ${\mathrm{\Δ}}_m=1+\frac{Q_1{S}_t^{*}{h}_t^3}{\mathrm{\π}{D}_{c}I}\{\frac{1}{3}+\frac{h_c}{2h_t}{\left(\frac{h_c}{2h_t}\right)}^2\},$ Q1为定子槽数，ht为齿高，St^*＝St*(Gt+Gw)/Gc，St为齿部平均截面积，I为截面惯性矩，

$\mathrm{\Φm}=\frac{1}{1+\frac{{h_c}^2}{{\mathrm{Dc}}^2}\frac{(m^2-1)[m^2(4+\mathrm{\Δm}/\mathrm{\Δ})+3]}{m^2+1}}.$

第三项：采用“人”字形斜槽，并在转子2中部增设短路环1，如图4所示。此项措施能够消除斜槽引起的轴向磁拉力。

第四项：在满足定子绕组嵌线需要的前提下，减小定子槽口宽度；同时，转子槽型采用梨形槽(如图1所示)、平底凸形槽(如图2所示)或圆底凸形槽(如图3所示)。此项措施能够减小气隙磁场的不均匀度。

第五项：采用磁性槽楔。通过将定子槽楔由一般槽楔改为相对磁导率在2至4.55之间的磁粉基磁性槽楔，能够减小气隙磁场的不均匀度。

第六项：在保证电气性能的前提下，增大气隙长度。此项措施能够降低气隙磁导，进而消弱气隙谐波磁场，当气隙长度由δ1变化为δ2时，振动加速度级的变化用下式近似计算：L1-L2＝10log₁₀(δ2/δ1)⁴，其中，L1为现有振动加速度级，L2为原有振动加速度级。

第七项：利用μ次谐波的消弱系数公式sin(μa_sk/2)/(μa_sk/2)，计算出μ次谐波消弱系数最大时的斜槽度a_sk，作为电机的斜槽度。利用此项措施，可着重消除2次齿谐波引起的激振力。

第八项：在定子绕组3中增加均压线4，如图5所示。此项措施能够消除间电流不平衡引起的基频振动。

本发明从减小电磁激振力及避免电磁激振力的频率与电机定子铁心的固有频率相重合两个方面对现有舰船用三相异步电动机进行改进，最大限度避免或削弱由电磁激振力产生的低频振动，减小高频振动。按照在水下振动的频率越低振动传播能力越强的原理，可大幅度降低现有舰船用三相异步电动机的低频振动加速度级和总振级，从而提高舰船的静音能力，减小舰船被声纳设备发现的距离。

本发明所述的舰船用电机，在现有具有18个定子槽的三相异步电动机基础上，增设6个定子槽，使得三相异步电动机共有24个定子槽，18个转子槽，避免或减少定转子谐波磁场，特别是一、二阶齿谐波相互耦合产生的4阶及以下的激振力，提高磁场的正弦度，减少谐波含量；所有定子槽均匀分布，定子槽口宽度为2mm，转子槽型采用如图1所示的梨形槽、如图2所示的平底凸形槽或如图3所示的圆底凸形槽，电机的定子槽楔由原有的一般槽楔改为相对磁导率在2至4.55之间的磁粉基磁性槽楔，能够减小气隙磁场的不均匀度；电机的气隙长度为0.4mm，能够降低气隙磁导，进而消弱气隙谐波磁场；如图4所示，电机采用斜槽度为1.28的“人”字形斜槽，转子2中部增设短路环1，可消除2次齿谐波引起的激振力，同时消除斜槽引起的轴向磁拉力；如图5所示，定子绕组3中设置有均压线4，能够消除间电流不平衡引起的基频振动；电机的定子铁心内径为80mm。通过前面所述的磁激振力的阶数、频率和同阶下定子铁心固有频率计算公式，可计算出磁激振力的频率为797Hz(4阶)，同阶下定子铁心固有频率为452Hz，而电机的铁心轭直径由75mm改为70mm，可使磁激振力的频率和同阶下定子铁心固有频率相差超过10％。

本发明所述的舰船用电机，可大幅度降低现有舰船用三相异步电动机的低频振动加速度级和总振级，从而提高舰船的静音能力，减小舰船被声纳设备发现的距离。

Claims (1)

1.一种舰船用电机降振降噪方法，其特征在于：按以下规则选取定子槽与转子槽的数量：

Q2≠3PG±1；Q2≠3PG±P/2±1；Q2≠3PG±P±1；Q2≠Q1±1；Q1-Q2≠±P±1；│Q1-Q2│≠0、1、2、3、4，│Q1-Q2│≠P、P±1、P±2、P±3、P±4；│Q1-Q2│≠P/2、P/2±1、P/2±2、P/2±3、P/2±4；其中，Q1为定子槽数，Q2为转子槽数，P为电机极数，G为任意整数，并增加定子槽数，使最后确定的定子槽数大于电机原有的定子槽数；

分别计算电机的电磁激振力的阶数、频率和同阶下定子铁心固有频率，按照电磁激振力频率和同阶下定子铁心固有频率相差超过10％的原则，调整铁心轭直径；

电磁激振力阶数m＝ka-kb；激振力频率f＝│(ka+kb)*Q2/T*(1-s)+2│*f1，其中ka为定子谐波次数，kb为转子谐波次数，Q2为转子槽数，T为极对数，s为转差率，f1为电源频率；0阶下定子铁心固有频率1阶下定子铁心固有频率2阶及以上定子铁心固有频率：其中Dc为铁心轭平均直径，E为铁心弹性模数，ρ为铁心密度，Δ为质量附加系数，Δ＝(Gt+Gw)/Gc，其中Gc为铁心轭重量，Gt为齿重量，Gw绕组部分重量， Q₁为定子槽数，ht为齿高，St^*＝St*(Gt+Gw)/Gc，St为齿部平均截面积，I为截面惯性矩，

$\mathrm{\Φm}=\frac{1}{1+\frac{{h_c}^2}{{\mathrm{Dc}}^2}*\frac{(m^2-1)[m^2(4+\mathrm{\Δm}/\mathrm{\Δ})+3]}{m^2+1}};$

采用“人”字形斜槽，并在转子中部增设短路环；

在满足定子绕组嵌线需要的前提下，减小定子槽口宽度；

转子槽型采用梨形槽、平底凸形槽或圆底凸形槽；

采用相对磁导率在2至4.55之间的磁粉基磁性槽楔；

在保证电气性能的前提下，增大气隙长度；

利用μ次谐波的消弱系数公式sin(μa_sk/2)/(μa_sk/2)，计算出μ次谐波消弱系数最大时的斜槽度a_sk，作为电机的斜槽度；

在定子绕组中增加均压线。