低磁低振动电力推进系统优化设计.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 76 低磁低振动电力推进系统优化设计低磁低振动电力推进系统优化设计 张永洋（海军装备部，北京 100071）摘 要：本文针对舰船在隐身方面的需求，选取某型电力推进系统为设计研究对象。以低磁和低振动性能为研究目标，介绍了该系统中主要设备的材料选择，探究了轴承及冷却方式选取、动平衡、吸振器、整流方式、滤波电容和谐波补偿等方法的减振原理，通过仿真和试验验证了它们的效果。结果表明，所设计的电力推进系统具有良好的低磁低振动表现，有利于提升舰船的隐身性能。关键词：电力推进 低磁 低振动 中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0076-04 Optimized Design of Low-magnetism and Low-vibration Electric Propulsion System Zhang Yongyang（Naval Equipment Department,Beijing 170001,China）Abstract:This paper introducesa certain type of electric propulsion system as the design and research object for the stealth requirements of ships.With low-magnetism and low-vibration performance as the research objective,the selection of materials for the main equipments in this system is presented.The vibration damping principles of bearing and cooling method selection,dynamic balancing,vibration absorbers,rectification methods,filter capacitors and harmonic compensation are studied,and the effectiveness is verified through simulation and testing.The results show that the designed electric propulsion system has good low-magnetism and low-vibration performance,which is beneficial for the minesweeper to improve its stealth performance.Keywords:electric propulsion;low magnetism;low vibration 0 引言引言 非声隐身技术是现代舰船的重点关注方向，也是舰船性能的重要体现之一，部分发达国家的舰船隐身技术起步较早，技术先进1。水雷凭借其隐蔽性好、易布难除、打击突然等优势，成为主要的水下攻击武器，对水面舰艇和潜艇具有极大的威胁，现代舰船如具备较高的非声隐身技术，可较好地解决上述问题2。电力推进系统是现代舰船的核心设备之一，它的磁性能和振动噪声性能对总体的隐身性能至关重要。本文以某型电力推进系统为研究对象，以低 收稿日期：2023-01-05 作者简介：张永洋（1983-），男，工程师。研究方向：舰船动力电力系统。E-mail： 磁低振动为研究目标，介绍了该型电力推进系统的组成、设备方案选择，提出了数种低磁低振动的优化设计方法，并通过试验验证其效果。1 低磁低振动电力推进系统低磁低振动电力推进系统 低磁低振动电力推进系统与常规电力推进系统一样，由推进变压器+非主动整流前端（DFE）推进变频器+推进电机，或主动整流前端（AFE）推进变频器+推进电机组成。其中推进变频器主回路拓扑采用交直交拓扑方案，电力电子主回路采用模块化设计，具有较大的功率密度和较高的可靠性和可维修性。Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 77 1L11L21L3L1Cs电网整流单元逆变单元滤波单元L2LoCo输出滤波单元制动单元 图 1 变频器主电路示意框图 由于在相同功率输出和转速情况下，永磁电机具有更高的转矩密度、更小的体积重量和导磁尺寸、更低的电磁振动噪声3，更有利于总体磁隐身和声隐身性能的实现，有利于实现推进系统的轻量化设计，所以推进电机采用永磁电机方案。2 低磁分析及优化设计低磁分析及优化设计 电力推进系统产生的磁场主要有两种：一种是推进电机或变频器作为磁源对外辐射的磁场，另一种是地磁场产生的感应磁场。因此在设计时既要考虑磁源的削弱，又要考虑感应磁场的控制。磁性能的总体设计中，最重要的是部件材料的选择。为实现低磁性能，除了必要的导磁材料外，其余部件应用低磁材料设计；对于必要的导磁材料，应该尽量选择剩磁低、矫顽力低的材料；导磁部件的布置应该遵循错开原则布置；对于弱磁材料，在磁导率优先的基础上，尽量选择电阻率高的材料。遵循以上选择原则，变频器和电机的主要部件材料如表 1 和表 2 所示。表 1 变频器的主要材料选择 部件 材料 管路 316L 不锈钢 结构件 316L 不锈钢 母排 铜 水冷板 铝 外壳 铝 接线端子 钢 紧固件 316L 不锈钢 框架 316L 不锈钢 表 2 电机的主要材料选择 部件 材料 定子铁心 50W470 定子绕组 BP-200 机座 铝合金 端盖 铝合金 轴承座 铝合金 轴瓦 塑料瓦 转子铁心 35CrMo 永磁体 Sm2Co17-30H 转轴 40#端压板 316L 不锈钢 仿真所得的变频器和电机的磁场云图如图 2所示，提取距离设备 6 m 处的磁感应强度，并和试验检测结果进行对比（图 3 所示为磁性试验现），仿真及试验检测所得结果如表 3 所示。结果表明，推进电机和变频器的 6 m 处磁感应强度均低于 10 nT，低磁效果显著。图 2 磁场分布云图 图 3 磁性试验现场 表 3 6 m 处磁感应强度（最大值）变频器 电机 仿真 9.0 3.9 试验 9.1 4.0 3 低振动分析及优化设计低振动分析及优化设计 影响电力推进系统振动的因素非常广泛，从振动源的类型上可以将其分为机械振动和电磁振动两大类。低振动优化设计就是针对每一个影响因素，进行分析和优化设计，将其对电力推进系统振动的贡献降到最低。3.1 轴承、冷却方式选取 如章节 1 所述，永磁电机相较于其他类型电机在低振动方面具有明显优势，故采用永磁电机作为推进电机。永磁电机的轴承可采用滑动轴承和滚动轴承两种结构。但由于滚动轴承会引入高频次的机械振动，其振动特性远差于滑动轴承。所以采用滑动轴承为电机的轴承4。推进电机和变频器常用的冷却方式，有自然冷却、风冷和水冷三种方式，其中自然冷却由于不利于设备的小型化、高功率密度化，在此不予考虑。风冷方式由于须装备风扇，会引入大量的振动和白噪声。水冷方式通过将推进系统中产生的热量通过内水经由换热器传递给外水，带出系船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 78 统，从而达到冷却效果，可以规避风扇带来的振动，无疑是更好的冷却方式。3.2 动平衡对振动影响分析 电力推进系统旋转轴系的不平衡量会造成较大的低频振动5。首先，随着轴系的旋转，不平衡量产生的离心力会造成转频及其倍频的机械振动6。此外，轴系的不平衡量会造成转子偏心，从而导致电机气隙中产生不均匀的电磁力，从而导致电磁振动7。为消除不平衡量造成的振动影响，须在电机转子制造完成、装配之前，进行动平衡校正；完成轴系安装后，也需对整个旋转轴系进行动平衡校正。如图 4 所示是此电力推进系统在轴系动平衡校正前后的某一工况振动加速度测试结果对比。结果表明，动平衡精度高时，电力推进系统的振动，尤其时低频段的振动显著降低。图 4 动平衡前后振动加速度测试结果 3.3 吸振器对振动影响分析 在电力推进系统与船体之间使用吸振器相连，相当于在振动源上附加了质量弹簧共振系统。在振动源振动时，吸振器产生反作用力，从而使整体的振动幅值减小8。图 5 所示为此电力推进系统中的推进电机加装吸振器前后振动加速度测试结果对比：使用吸振器可以显著的降低吸振器固有频段的振动幅值。图 5 装吸振器前后振动加速度测试结果 3.4 整流方式对振动影响分析 如章节 1 所述，DFE 和 AFE 都是现在普遍使用的整流方式，其区别在于，传统的 DFE 主要采用二极管或晶闸管作为功率器件，不具备主动关断功能，而 AFE 则使用新型可关断器件来实现整流功能。当使用 AFE 整流时，可以使用滤波电路消除 DFE 中通常不可消除的 5 次、7 次、11次、13 次等谐波成分，所以其谐波畸变率也大大降低了，从而削弱了相应频率成分的电磁振动9。同时，AEF相较于DEF少了一台推进变压器设备，更利于系统的低磁化处理。如图 6 所示是此电力推进系统在某一工况分别使用 DFE 和AFE 的振动加速度测试结果对比。结果表明，使用 AFE 整流方式，消除电流的谐波成分，可以显著降低全频段的电磁振动。图 6 DFE 和 AFE 振动加速度测试结果 3.5 滤波电容对振动影响分析 在电力推进系统回路中加入电容起到滤波器的作用，和采用 AFE 整流方式的目的相同：通过抑制谐波电流，达到削弱电磁振动的目的。本电力推进系统在其直流母线上并联有 1440F 的电容。并入电容前后的振动加速度测试结果如图 7所示。直流母线所供的电流中含有 50HZ 和100HZ 谐波，滤波电容可以大幅减少这两个频率点的谐波成分，从而对这两个频率点的电磁振动起到抑制作用。图 7 并联滤波电容前后振动加速度测试结果 3.6 谐波补偿对振动影响分析 由前文的分析可知，谐波电流对电力推进系统的振动影响贡献很大，除使用抑制电流谐波的途径之外，还可以采用主动补偿的方法，通过变频器向推进电机注入和现有电流谐波频率相同、相位相反的补偿电流，就可以削弱由这些电流谐Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 79 波而造成的电磁振动10。本系统中，对 80Hz、160Hz 和 240HZ 三个频率点的谐波进行了补偿，调节补偿谐波的幅值和相位，使减振效果最好。谐波补偿前后振动加速度测试结果对比情况如图8 所示，由结果可知，谐波补偿对于特定频率点的电磁振动抑制效果特别显著。图 8 谐波补偿前后振动加速度测试结果 4 结论结论 本文以某型电力推进系统为研究对象，介绍了其主要组成。首先以低磁性能为设计目标，介绍了该系统中主要设备的材料选择和排布方案，并通过仿真和试验探究了设备的低磁表现，验证了仿真的正确和低磁设计的成功。随后以低振动性能为目标，分别探究了轴承及冷却方式选取、动平衡、吸振器、整流方式、滤波电容和谐波补偿方法对振动的影响，分析了这些方法减振的原理，并通过试验验证了它们的减振效果。研究结果表明，本系统中采用的低磁低振动优化设计方法效果显著，所设计的电力推进系统具有良好的低磁低振动表现，有利于舰船提升其隐身性能。参考文献参考文献:1 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