ICS47.020.20CCSK20團 體 標 準T/CSNAME089—2024T型吊艙推進器推進電機設(shè)計方法DesignmethodsofthrustermotorforTpoddedpropulsor2024-06-30發(fā)布 2024-10-01實施中國造船工程學(xué)會 發(fā)布T/CSNAME089T/CSNAME089—2024II前 言本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國造船工程學(xué)會標準化學(xué)術(shù)委員會提出。本文件由中國造船工程學(xué)會歸口。本文件起草單位：中國船舶集團有限公司第七〇四研究所。本文件主要起草人：趙泰然、李姍、楊智、張家玉、陳琳。T/CSNAME089T/CSNAME089—2024PAGEPAGE10T型吊艙推進器推進電機設(shè)計方法范圍本文件規(guī)定了T型吊艙推進器推進電機（以下簡稱電機）的設(shè)計輸入、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計程序和設(shè)計要求。本文件適用于船舶電力推進系統(tǒng)中T型吊艙推進器推進電機的設(shè)計。規(guī)范性引用文件（包括所有的修改單適用于本文件。GB/T755-2019 旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能GB/T21466.3-2008 穩(wěn)態(tài)條件下流體動壓徑向滑動軸承 圓形滑動軸承 第3部分許用的運行參數(shù)GB/T22720.2-2019 旋轉(zhuǎn)電機 電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機耐局部放電電氣絕緣結(jié)構(gòu)(Ⅱ型)的鑒定試驗術(shù)語和定義GB/T755-2019、GB/T22720.2-2019界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1推進電機 thrustermotor用于直接驅(qū)動螺旋槳的電機。3.2T型吊艙推進器 Tpoddedpropulsor將推進電機、滑環(huán)裝置、回轉(zhuǎn)裝置等集成一體的船舶推進裝置，其中推進器回轉(zhuǎn)軸線與電機軸線相交成“T”型。設(shè)計輸入電系統(tǒng)要求電系統(tǒng)對電機的要求主要為變頻器對電機的要求，具體如下：電壓：包括電機進線端的額定電壓，變頻器輸出的峰值（沖擊）峰-峰電壓、沖擊電壓重復(fù)率、沖擊上升時間、突變電壓;電流：變頻器可以輸出的最大電流;頻率：變頻器可以輸出滿足電機控制需要的最大頻率和最小頻率；相數(shù)等。機械系統(tǒng)要求T型吊艙推進器的吊柱部分即為電機的外殼，根據(jù)吊柱的尺寸要求和吊艙推進器的重量要求確定電機的以下項目：定子外徑尺寸限值；長度限值；重量限值。工作環(huán)境要求根據(jù)T型吊艙推進器安裝船舶航行水域的溫度和電機冷卻介質(zhì)（冷卻風(fēng)）的溫度確定以下要求：環(huán)境溫度；冷卻介質(zhì)溫度。性能指標要求根據(jù)T型吊艙推進器的要求，確定電機的以下性能指標：額定功率；轉(zhuǎn)速；工作制；效率；功率因數(shù)；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；使用壽命；振動和噪聲限值等。設(shè)計內(nèi)容電機總體設(shè)計電機總體設(shè)計包含以下幾個部分：安裝方式；結(jié)構(gòu)形式；冷卻方式；軸承形式；絕緣。電機電磁設(shè)計電機電磁設(shè)計主要包含以下內(nèi)容：主要尺寸；極數(shù)、定子槽數(shù)；定子繞組；定子槽型尺寸；電勵磁轉(zhuǎn)子磁極；電勵磁轉(zhuǎn)子勵磁繞組；永磁轉(zhuǎn)子；電磁性能計算；永磁轉(zhuǎn)子退磁計算。電機結(jié)構(gòu)設(shè)計電機結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包含以下內(nèi)容：吊柱；軸承；旋轉(zhuǎn)部件；整機模態(tài)分析。電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計包含以下內(nèi)容：冷卻系統(tǒng)風(fēng)路；流場和溫度場仿真計算。設(shè)計程序 圖1 電機設(shè)計流程圖計等工作。設(shè)計程序的流程如圖1所示。詳細設(shè)計電機初步設(shè)計安裝方式如圖2所示?；h(huán)裝置回轉(zhuǎn)裝置螺旋槳推進電機圖2 T型吊艙推進器結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)形式電機結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)推進器功率確定，推進功率等級在10MW及以下的電機宜選用永磁同步電機，功率在10MW級以上的時宜選用電勵磁同步電機。冷卻方式來確定是否在定子和轉(zhuǎn)子上設(shè)置徑向通風(fēng)道：當(dāng)定子鐵心與吊柱之間采用過盈連接，即定子鐵心外表面與吊柱內(nèi)表面緊密結(jié)合，定子鐵心風(fēng)道；當(dāng)定子鐵心背部有支撐結(jié)構(gòu)，可以與吊柱之間形成冷卻風(fēng)路，電機的熱量主要靠冷卻空氣帶走，則需要在定子和轉(zhuǎn)子上設(shè)置徑向通風(fēng)道。軸承形式18MW功率在18MW以上時宜選用滑動軸承。絕緣電機的絕緣設(shè)計應(yīng)注意以下事項：FH緣系統(tǒng)；基頻峰峰-值電壓較大時需要加強主絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計；沖擊電壓重復(fù)率較大時需要加強匝間絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計；突變電壓較大時需要加強匝間絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計；沖擊上升時間較小時需要加強匝間絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計；峰-峰沖擊電壓較大時需要加強防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計；GB/T22720.2-20194章執(zhí)行。電機電磁設(shè)計主要尺寸定子鐵心內(nèi)徑和長度的確定電機主要電磁設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系見式（1）： =1.64×10?2????’??wm??dp??????????12?????? (1)式中：PN’———計算功率，單位為千瓦（kW）；αp’———計算極弧系數(shù)；Kwm———氣隙磁場波形系數(shù)；Kdp———定子繞組系數(shù)；A———線負荷，單位為安培/厘米（A/cm）；Bδ———氣隙磁密，單位為特斯拉（T）；Di1———定子鐵心內(nèi)徑，單位為米（m）;l———定子鐵心長度，單位為米（m）;nN———額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘（r/min）。（1）中αp’KwmKdp很大程度上取決于電磁負荷A、Bδ，電磁負荷推薦值見表2。表1 表電磁負荷A、Bδ推薦值電磁負荷取值范圍Bδ（T）0.7～1.0A（A/cm）800～1300電機電磁負荷的取值時應(yīng)遵循如下規(guī)定：ABδ；Bδ；ABδ；ABδ，以便獲得較高的效率；A、Bδ取值范圍內(nèi)選取較高的值。在選定A和Bδ后，按式（1）即可初步確定電機的Di12l。在確定Di1、l時，應(yīng)考慮如下因素：Di1的大致尺寸；TlDi1；應(yīng)避開軸系臨界轉(zhuǎn)速；應(yīng)考慮轉(zhuǎn)動慣量要求。氣隙長度的確定電機氣隙長度δ的選取應(yīng)注意：減少電機定子齒諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的附加損耗；電機轉(zhuǎn)子撓度的影響；電機裝配工藝的可行性。在允許的情況下氣隙長度值宜取的大一些。極數(shù)、定子槽數(shù)極數(shù)的確定電機極數(shù)的選取應(yīng)滿足以下要求：：15Hz；由于電機為細長型結(jié)構(gòu)，為了減小端部長度，宜選取較多的極數(shù)；電機容量越大選取的極數(shù)應(yīng)越多。定子槽數(shù)的確定電機定子槽數(shù)的選擇通常是通過每極每相槽數(shù)來確定的，在選擇時可遵循如下要求：3；1.25m3的偶數(shù)倍。定子繞組定子繞組并聯(lián)路數(shù)的確定定子繞組并聯(lián)路與電機極對數(shù)的關(guān)系見式(3): 2??/??=整數(shù) (2)式中：a———定子繞組并聯(lián)路數(shù)；p電機極對數(shù)。因電機電流大，定子繞組并聯(lián)路數(shù)宜取較大值。定子每槽導(dǎo)體數(shù)的確定定子每槽導(dǎo)體數(shù)Ns值的計算見式（3）和（4）： =100??????1??????????????/??1/??????··························································(3) =1000·································································(4)式中：??———性能指標要求的效率；????????———性能指標要求的功率因數(shù)；??1———定子槽數(shù)。———功電流，單位為安培（A）；PN———額定功率，單位為千瓦（kW）；m———電機相數(shù)；????———額定電壓，單位為伏特（V）。定子繞組跨距的確定對于4、6、8極電機，定子繞組跨距宜取值為5/6倍極距；對于10、12、14、16、18極電機，定子繞組跨距宜取值為8/9倍極距。導(dǎo)線截面積的確定導(dǎo)線截面積??cu1的計算見式（5）： =(5)式中：??1———電機相電流，單位為安培（A）；????———定子繞組電磁線并繞根數(shù)。J1———定子繞組電流密度，取值參照表2的推薦，單位為安培每平方毫米（A/mm2）。表2 電機定子繞組電流密度取值范圍電機絕緣等級J1（A/mm2）F3.5～4.5H4.5～5.5定子槽形尺寸3所示。bshs圖3 矩形槽槽形圖bshs的確定應(yīng)注意：1/31.8T；1.5T；齒部強度滿足選用材料屈服強度的要求、軛部剛度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。電勵磁轉(zhuǎn)子磁極bp可以根據(jù)式（6）計算： =???????············································································(6)式中：bp———極靴高度，單位為米（m）；αp———極弧系數(shù)，取值范圍為0.65～0.8，極距小時宜取較小值；??———極距，單位為米（m）。極靴高度的高度應(yīng)保證其邊緣磁密不至于過飽和。1.1T～1.5T。為了保證電機的氣隙磁場盡量接近正弦，需要調(diào)節(jié)偏心距來獲得不均勻氣隙。電勵磁轉(zhuǎn)子勵磁繞組電機勵磁繞組宜采用扁銅線或裸銅排。Wf可以根據(jù)公式（7）計算： =·········································································(7)式中：FfN———額定負載勵磁磁勢，單位為安培（A）；IfN———額定勵磁電流，單位為安培（A）。FfN可用保梯發(fā)求出。IfN初步選取的取值范圍推薦為200A～400A，電機功率增大時，取值可以增大。3J1值的上限選取。得到勵磁繞組的電阻。UfN的計算見式（8）： =1.05??···································································(8)式中：UfN———勵磁繞組的額定勵磁電壓，單位為福特（V）；Rf———勵磁繞組電阻，單位為歐姆（V）。永磁電機轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)速低，可靠性要求高，推薦選用永磁體內(nèi)置式轉(zhuǎn)子。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子宜選內(nèi)置弧形轉(zhuǎn)子或內(nèi)置V型轉(zhuǎn)子，根據(jù)電磁計算參數(shù)選取轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)、永磁體材料、永磁體尺寸。電磁性能計算根據(jù)7.2.1至7.2.7需要滿足4.4節(jié)中性能指標的要求。永磁轉(zhuǎn)子退磁計算作點應(yīng)高于所選永磁體材料在最高溫度下退磁曲線的拐點，并留由一定的裕度。結(jié)構(gòu)設(shè)計吊柱吊柱設(shè)計應(yīng)保證電機運行安全可靠，其固有頻率應(yīng)避開電機各主要激振頻率%。DH36。軸承側(cè)軸承應(yīng)選用能承受一定軸向位移的軸承。能，結(jié)果應(yīng)滿足表3中的性能要求。表3 軸承計算參數(shù)對比表軸承形式性能計算項目性能要求滾動軸承壽命≥10萬小時軸承形式性能計算項目性能要求靜載荷滿足選用軸承靜載荷限值要求動載荷滿足選用軸承動載荷限值要求疲勞載荷滿足選用軸承疲勞載荷限值要求極限轉(zhuǎn)速滿足電機最大轉(zhuǎn)速要求滑動軸承最小許用潤滑油膜厚度GB/T21466.3-2008第3章最大許用溫度GB/T21466.3-2008第5章潤滑油需求油量≤供油設(shè)備最大供油能力的%，特別是低頻機械振動頻率。旋轉(zhuǎn)部件學(xué)性能分析計算和不平衡響應(yīng)分析計算。轉(zhuǎn)子力學(xué)性能分析計算注意以下幾點：模；在轉(zhuǎn)子周向和軸向?qū)ΨQ面處應(yīng)施加對稱邊界條件，并約束軸向?qū)ΨQ面上軸心的三向位移；溫度載荷可設(shè)定參考溫度和均一溫度；由于銅和合金鋼等均屬于彈塑性材料，應(yīng)采用第四強度理論計算。應(yīng)注意以下幾點：對于采用滾動球軸承支撐的轉(zhuǎn)子，可將其簡化為簡支梁；對于采用滑動球軸承支撐的轉(zhuǎn)子，應(yīng)根據(jù)所采用軸承的油膜剛度和阻尼設(shè)置軸承單元；轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開工作轉(zhuǎn)速和超速轉(zhuǎn)速的%。整機模態(tài)分析采用有限元軟件對電機整機進行模態(tài)分析，需注意以下幾點：電機定子鐵心與吊柱為過盈配合，不存在相對位移運動；忽略定子以及吊柱上面孔、槽、凸臺、倒角、圓角以及掛鉤等的影響；將重力作為載荷施加到電機全部部件中；若定子繞組未建模，應(yīng)將其重力等效施加到定子鐵心上；型。態(tài)分析結(jié)果滿足要求。冷卻系統(tǒng)設(shè)計冷卻系統(tǒng)風(fēng)路對于采用內(nèi)部強迫風(fēng)冷、吊柱外部海水冷的電機，其封閉式循環(huán)空氣