TCSNAME 089-2024 T型吊舱推进器推进电机设计方法

ICS47.020.20CCSK20团 体 标 准T/CSNAME089—2024T型吊舱推进器推进电机设计方法DesignmethodsofthrustermotorforTpoddedpropulsor2024-06-30发布 2024-10-01实施中国造船工程学会 发布T/CSNAME089T/CSNAME089—2024II前 言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国造船工程学会标准化学术委员会提出。本文件由中国造船工程学会归口。本文件起草单位：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所。本文件主要起草人：赵泰然、李姗、杨智、张家玉、陈琳。T/CSNAME089T/CSNAME089—2024PAGEPAGE10T型吊舱推进器推进电机设计方法范围本文件规定了T型吊舱推进器推进电机（以下简称电机）的设计输入、设计内容、设计程序和设计要求。本文件适用于船舶电力推进系统中T型吊舱推进器推进电机的设计。规范性引用文件（包括所有的修改单适用于本文件。GB/T755-2019 旋转电机 定额和性能GB/T21466.3-2008 稳态条件下流体动压径向滑动轴承 圆形滑动轴承 第3部分许用的运行参数GB/T22720.2-2019 旋转电机 电压型变频器供电的旋转电机耐局部放电电气绝缘结构(Ⅱ型)的鉴定试验术语和定义GB/T755-2019、GB/T22720.2-2019界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1推进电机 thrustermotor用于直接驱动螺旋桨的电机。3.2T型吊舱推进器 Tpoddedpropulsor将推进电机、滑环装置、回转装置等集成一体的船舶推进装置，其中推进器回转轴线与电机轴线相交成“T”型。设计输入电系统要求电系统对电机的要求主要为变频器对电机的要求，具体如下：电压：包括电机进线端的额定电压，变频器输出的峰值（冲击）峰-峰电压、冲击电压重复率、冲击上升时间、突变电压;电流：变频器可以输出的最大电流;频率：变频器可以输出满足电机控制需要的最大频率和最小频率；相数等。机械系统要求T型吊舱推进器的吊柱部分即为电机的外壳，根据吊柱的尺寸要求和吊舱推进器的重量要求确定电机的以下项目：定子外径尺寸限值；长度限值；重量限值。工作环境要求根据T型吊舱推进器安装船舶航行水域的温度和电机冷却介质（冷却风）的温度确定以下要求：环境温度；冷却介质温度。性能指标要求根据T型吊舱推进器的要求，确定电机的以下性能指标：额定功率；转速；工作制；效率；功率因数；最大转矩倍数；使用寿命；振动和噪声限值等。设计内容电机总体设计电机总体设计包含以下几个部分：安装方式；结构形式；冷却方式；轴承形式；绝缘。电机电磁设计电机电磁设计主要包含以下内容：主要尺寸；极数、定子槽数；定子绕组；定子槽型尺寸；电励磁转子磁极；电励磁转子励磁绕组；永磁转子；电磁性能计算；永磁转子退磁计算。电机结构设计电机结构设计主要包含以下内容：吊柱；轴承；旋转部件；整机模态分析。电机冷却系统设计电机冷却系统设计包含以下内容：冷却系统风路；流场和温度场仿真计算。设计程序 图1 电机设计流程图计等工作。设计程序的流程如图1所示。详细设计电机初步设计安装方式如图2所示。滑环装置回转装置螺旋桨推进电机图2 T型吊舱推进器结构图结构形式电机结构形式可根据推进器功率确定，推进功率等级在10MW及以下的电机宜选用永磁同步电机，功率在10MW级以上的时宜选用电励磁同步电机。冷却方式来确定是否在定子和转子上设置径向通风道：当定子铁心与吊柱之间采用过盈连接，即定子铁心外表面与吊柱内表面紧密结合，定子铁心风道；当定子铁心背部有支撑结构，可以与吊柱之间形成冷却风路，电机的热量主要靠冷却空气带走，则需要在定子和转子上设置径向通风道。轴承形式18MW功率在18MW以上时宜选用滑动轴承。绝缘电机的绝缘设计应注意以下事项：FH缘系统；基频峰峰-值电压较大时需要加强主绝缘和防晕结构的设计；冲击电压重复率较大时需要加强匝间绝缘和防晕结构的设计；突变电压较大时需要加强匝间绝缘和防晕结构的设计；冲击上升时间较小时需要加强匝间绝缘和防晕结构的设计；峰-峰冲击电压较大时需要加强防晕结构的设计；GB/T22720.2-20194章执行。电机电磁设计主要尺寸定子铁心内径和长度的确定电机主要电磁设计参数之间的关系见式（1）： =1.64×10−2𝛼𝑝’𝐾wm𝐾dp𝐴𝐵𝛿𝐷𝑖12𝑙𝑛𝑁 (1)式中：PN’———计算功率，单位为千瓦（kW）；αp’———计算极弧系数；Kwm———气隙磁场波形系数；Kdp———定子绕组系数；A———线负荷，单位为安培/厘米（A/cm）；Bδ———气隙磁密，单位为特斯拉（T）；Di1———定子铁心内径，单位为米（m）;l———定子铁心长度，单位为米（m）;nN———额定转速，单位为转/分钟（r/min）。（1）中αp’KwmKdp很大程度上取决于电磁负荷A、Bδ，电磁负荷推荐值见表2。表1 表电磁负荷A、Bδ推荐值电磁负荷取值范围Bδ（T）0.7～1.0A（A/cm）800～1300电机电磁负荷的取值时应遵循如下规定：ABδ；Bδ；ABδ；ABδ，以便获得较高的效率；A、Bδ取值范围内选取较高的值。在选定A和Bδ后，按式（1）即可初步确定电机的Di12l。在确定Di1、l时，应考虑如下因素：Di1的大致尺寸；TlDi1；应避开轴系临界转速；应考虑转动惯量要求。气隙长度的确定电机气隙长度δ的选取应注意：减少电机定子齿谐波在转子表面产生的附加损耗；电机转子挠度的影响；电机装配工艺的可行性。在允许的情况下气隙长度值宜取的大一些。极数、定子槽数极数的确定电机极数的选取应满足以下要求：：15Hz；由于电机为细长型结构，为了减小端部长度，宜选取较多的极数；电机容量越大选取的极数应越多。定子槽数的确定电机定子槽数的选择通常是通过每极每相槽数来确定的，在选择时可遵循如下要求：3；1.25m3的偶数倍。定子绕组定子绕组并联路数的确定定子绕组并联路与电机极对数的关系见式(3): 2𝑝/𝑎=整数 (2)式中：a———定子绕组并联路数；p电机极对数。因电机电流大，定子绕组并联路数宜取较大值。定子每槽导体数的确定定子每槽导体数Ns值的计算见式（3）和（4）： =100𝜋𝐷𝑖1𝐴𝑎𝜂𝑐𝑜𝑠𝜑/𝑍1/𝐼𝑘𝑤··························································(3) =1000·································································(4)式中：𝜂———性能指标要求的效率；𝑐𝑜𝑠𝜑———性能指标要求的功率因数；𝑍1———定子槽数。———功电流，单位为安培（A）；PN———额定功率，单位为千瓦（kW）；m———电机相数；𝑈𝑁———额定电压，单位为伏特（V）。定子绕组跨距的确定对于4、6、8极电机，定子绕组跨距宜取值为5/6倍极距；对于10、12、14、16、18极电机，定子绕组跨距宜取值为8/9倍极距。导线截面积的确定导线截面积𝑆cu1的计算见式（5）： =(5)式中：𝐼1———电机相电流，单位为安培（A）；𝑁𝑡———定子绕组电磁线并绕根数。J1———定子绕组电流密度，取值参照表2的推荐，单位为安培每平方毫米（A/mm2）。表2 电机定子绕组电流密度取值范围电机绝缘等级J1（A/mm2）F3.5～4.5H4.5～5.5定子槽形尺寸3所示。bshs图3 矩形槽槽形图bshs的确定应注意：1/31.8T；1.5T；齿部强度满足选用材料屈服强度的要求、轭部刚度满足结构设计要求。电励磁转子磁极bp可以根据式（6）计算： =𝛼𝑝∗𝜏············································································(6)式中：bp———极靴高度，单位为米（m）；αp———极弧系数，取值范围为0.65～0.8，极距小时宜取较小值；𝜏———极距，单位为米（m）。极靴高度的高度应保证其边缘磁密不至于过饱和。1.1T～1.5T。为了保证电机的气隙磁场尽量接近正弦，需要调节偏心距来获得不均匀气隙。电励磁转子励磁绕组电机励磁绕组宜采用扁铜线或裸铜排。Wf可以根据公式（7）计算： =·········································································(7)式中：FfN———额定负载励磁磁势，单位为安培（A）；IfN———额定励磁电流，单位为安培（A）。FfN可用保梯发求出。IfN初步选取的取值范围推荐为200A～400A，电机功率增大时，取值可以增大。3J1值的上限选取。得到励磁绕组的电阻。UfN的计算见式（8）： =1.05∗∗···································································(8)式中：UfN———励磁绕组的额定励磁电压，单位为福特（V）；Rf———励磁绕组电阻，单位为欧姆（V）。永磁电机转子电机转速低，可靠性要求高，推荐选用永磁体内置式转子。内置式转子宜选内置弧形转子或内置V型转子，根据电磁计算参数选取转子的磁路结构、永磁体材料、永磁体尺寸。电磁性能计算根据7.2.1至7.2.7需要满足4.4节中性能指标的要求。永磁转子退磁计算作点应高于所选永磁体材料在最高温度下退磁曲线的拐点，并留由一定的裕度。结构设计吊柱吊柱设计应保证电机运行安全可靠，其固有频率应避开电机各主要激振频率%。DH36。轴承侧轴承应选用能承受一定轴向位移的轴承。能，结果应满足表3中的性能要求。表3 轴承计算参数对比表轴承形式性能计算项目性能要求滚动轴承寿命≥10万小时轴承形式性能计算项目性能要求静载荷满足选用轴承静载荷限值要求动载荷满足选用轴承动载荷限值要求疲劳载荷满足选用轴承疲劳载荷限值要求极限转速满足电机最大转速要求滑动轴承最小许用润滑油膜厚度GB/T21466.3-2008第3章最大许用温度GB/T21466.3-2008第5章润滑油需求油量≤供油设备最大供油能力的%，特别是低频机械振动频率。旋转部件学性能分析计算和不平衡响应分析计算。转子力学性能分析计算注意以下几点：模；在转子周向和轴向对称面处应施加对称边界条件，并约束轴向对称面上轴心的三向位移；温度载荷可设定参考温度和均一温度；由于铜和合金钢等均属于弹塑性材料，应采用第四强度理论计算。应注意以下几点：对于采用滚动球轴承支撑的转子，可将其简化为简支梁；对于采用滑动球轴承支撑的转子，应根据所采用轴承的油膜刚度和阻尼设置轴承单元；转子各阶临界转速应避开工作转速和超速转速的%。整机模态分析采用有限元软件对电机整机进行模态分析，需注意以下几点：电机定子铁心与吊柱为过盈配合，不存在相对位移运动；忽略定子以及吊柱上面孔、槽、凸台、倒角、圆角以及挂钩等的影响；将重力作为载荷施加到电机全部部件中；若定子绕组未建模，应将其重力等效施加到定子铁心上；型。态分析结果满足要求。冷却系统设计冷却系统风路对于采用内部强迫风冷、吊柱外部海水冷的电机，其封闭式循环空气