TCSNAME 089-2024 T型吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)方法

ICS47.020.20CCSK20團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/CSNAME089—2024T型吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)方法DesignmethodsofthrustermotorforTpoddedpropulsor2024-06-30發(fā)布 2024-10-01實(shí)施中國(guó)造船工程學(xué)會(huì) 發(fā)布T/CSNAME089T/CSNAME089—2024II前 言本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)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(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)術(shù)委員會(huì)提出。本文件由中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)歸口。本文件起草單位：中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇四研究所。本文件主要起草人：趙泰然、李?yuàn)櫋钪?、張家玉、陳琳。T/CSNAME089T/CSNAME089—2024PAGEPAGE10T型吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)方法范圍本文件規(guī)定了T型吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱電機(jī)）的設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)要求。本文件適用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中T型吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)。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(jī) 定額和性能GB/T21466.3-2008 穩(wěn)態(tài)條件下流體動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承 圓形滑動(dòng)軸承 第3部分許用的運(yùn)行參數(shù)GB/T22720.2-2019 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)耐局部放電電氣絕緣結(jié)構(gòu)(Ⅱ型)的鑒定試驗(yàn)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(jìn)電機(jī) thrustermotor用于直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的電機(jī)。3.2T型吊艙推進(jìn)器 Tpoddedpropulsor將推進(jìn)電機(jī)、滑環(huán)裝置、回轉(zhuǎn)裝置等集成一體的船舶推進(jìn)裝置，其中推進(jìn)器回轉(zhuǎn)軸線與電機(jī)軸線相交成“T”型。設(shè)計(jì)輸入電系統(tǒng)要求電系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求主要為變頻器對(duì)電機(jī)的要求，具體如下：電壓：包括電機(jī)進(jìn)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(shí)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(jī)控制需要的最大頻率和最小頻率；相數(shù)等。機(jī)械系統(tǒng)要求T型吊艙推進(jìn)器的吊柱部分即為電機(jī)的外殼，根據(jù)吊柱的尺寸要求和吊艙推進(jìn)器的重量要求確定電機(jī)的以下項(xiàng)目：定子外徑尺寸限值；長(zhǎng)度限值；重量限值。工作環(huán)境要求根據(jù)T型吊艙推進(jìn)器安裝船舶航行水域的溫度和電機(jī)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(biāo)要求根據(jù)T型吊艙推進(jìn)器的要求，確定電機(jī)的以下性能指標(biāo)：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(dòng)和噪聲限值等。設(shè)計(jì)內(nèi)容電機(jī)總體設(shè)計(jì)電機(jī)總體設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)部分：安裝方式；結(jié)構(gòu)形式；冷卻方式；軸承形式；絕緣。電機(jī)電磁設(shè)計(jì)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)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(lì)磁轉(zhuǎn)子磁極；電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組；永磁轉(zhuǎn)子；電磁性能計(jì)算；永磁轉(zhuǎn)子退磁計(jì)算。電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含以下內(nèi)容：吊柱；軸承；旋轉(zhuǎn)部件；整機(jī)模態(tài)分析。電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含以下內(nèi)容：冷卻系統(tǒng)風(fēng)路；流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。設(shè)計(jì)程序 圖1 電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖計(jì)等工作。設(shè)計(jì)程序的流程如圖1所示。詳細(xì)設(shè)計(jì)電機(jī)初步設(shè)計(jì)安裝方式如圖2所示?；h(huán)裝置回轉(zhuǎn)裝置螺旋槳推進(jìn)電機(jī)圖2 T型吊艙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)形式電機(jī)結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)推進(jìn)器功率確定，推進(jìn)功率等級(jí)在10MW及以下的電機(jī)宜選用永磁同步電機(jī)，功率在10MW級(jí)以上的時(shí)宜選用電勵(lì)磁同步電機(jī)。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(jī)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(shí)宜選用滑動(dòng)軸承。絕緣電機(jī)的絕緣設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：FH緣系統(tǒng)；基頻峰峰-值電壓較大時(shí)需要加強(qiáng)主絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；沖擊電壓重復(fù)率較大時(shí)需要加強(qiáng)匝間絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；突變電壓較大時(shí)需要加強(qiáng)匝間絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；沖擊上升時(shí)間較小時(shí)需要加強(qiáng)匝間絕緣和防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；峰-峰沖擊電壓較大時(shí)需要加強(qiáng)防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；GB/T22720.2-20194章執(zhí)行。電機(jī)電磁設(shè)計(jì)主要尺寸定子鐵心內(nèi)徑和長(zhǎng)度的確定電機(jī)主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系見式（1）： =1.64×10?2????’??wm??dp??????????12?????? (1)式中：PN’———計(jì)算功率，單位為千瓦（kW）；αp’———計(jì)算極弧系數(shù)；Kwm———?dú)庀洞艌?chǎng)波形系數(shù)；Kdp———定子繞組系數(shù)；A———線負(fù)荷，單位為安培/厘米（A/cm）；Bδ———?dú)庀洞琶?，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(zhǎng)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(fù)荷A、Bδ，電磁負(fù)荷推薦值見表2。表1 表電磁負(fù)荷A、Bδ推薦值電磁負(fù)荷取值范圍Bδ（T）0.7～1.0A（A/cm）800～1300電機(jī)電磁負(fù)荷的取值時(shí)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(jī)的Di12l。在確定Di1、l時(shí)，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(dòng)慣量要求。氣隙長(zhǎng)度的確定電機(jī)氣隙長(zhǎng)度δ的選取應(yīng)注意：減少電機(jī)定子齒諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的附加損耗；電機(jī)轉(zhuǎn)子撓度的影響；電機(jī)裝配工藝的可行性。在允許的情況下氣隙長(zhǎng)度值宜取的大一些。極數(shù)、定子槽數(shù)極數(shù)的確定電機(jī)極數(shù)的選取應(yīng)滿足以下要求：：15Hz；由于電機(jī)為細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，為了減小端部長(zhǎng)度，宜選取較多的極數(shù)；電機(jī)容量越大選取的極數(shù)應(yīng)越多。定子槽數(shù)的確定電機(jī)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(shí)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(jī)極對(duì)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(jī)極對(duì)數(shù)。因電機(jī)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(jì)算見式（3）和（4）： =100??????1??????????????/??1/??????··························································(3) =1000·································································(4)式中：??———性能指標(biāo)要求的效率；????????———性能指標(biāo)要求的功率因數(shù)；??1———定子槽數(shù)?！﹄娏?，單位為安培（A）；PN———額定功率，單位為千瓦（kW）；m———電機(jī)相數(shù)；????———額定電壓，單位為伏特（V）。定子繞組跨距的確定對(duì)于4、6、8極電機(jī)，定子繞組跨距宜取值為5/6倍極距；對(duì)于10、12、14、16、18極電機(jī)，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(jì)算見式（5）： =(5)式中：??1———電機(jī)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(jī)定子繞組電流密度取值范圍電機(jī)絕緣等級(jí)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(qiáng)度滿足選用材料屈服強(qiáng)度的要求、軛部剛度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子磁極bp可以根據(jù)式（6）計(jì)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(shí)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(jī)的氣隙磁場(chǎng)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(lì)磁轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電機(jī)勵(lì)磁繞組宜采用扁銅線或裸銅排。Wf可以根據(jù)公式（7）計(jì)算： =·········································································(7)式中：FfN———額定負(fù)載勵(lì)磁磁勢(shì)，單位為安培（A）；IfN———額定勵(lì)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(jī)功率增大時(shí)，取值可以增大。3J1值的上限選取。得到勵(lì)磁繞組的電阻。UfN的計(jì)算見式（8）： =1.05??···································································(8)式中：UfN———?jiǎng)?lì)磁繞組的額定勵(lì)磁電壓，單位為福特（V）；Rf———?jiǎng)?lì)磁繞組電阻，單位為歐姆（V）。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)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(jì)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(jì)算根據(jù)7.2.1至7.2.7需要滿足4.4節(jié)中性能指標(biāo)的要求。永磁轉(zhuǎn)子退磁計(jì)算作點(diǎn)應(yīng)高于所選永磁體材料在最高溫度下退磁曲線的拐點(diǎn)，并留由一定的裕度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吊柱吊柱設(shè)計(jì)應(yīng)保證電機(jī)運(yùn)行安全可靠，其固有頻率應(yīng)避開電機(jī)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(jì)算參數(shù)對(duì)比表軸承形式性能計(jì)算項(xiàng)目性能要求滾動(dòng)軸承壽命≥10萬小時(shí)軸承形式性能計(jì)算項(xiàng)目性能要求靜載荷滿足選用軸承靜載荷限值要求動(dòng)載荷滿足選用軸承動(dòng)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(jī)最大轉(zhuǎn)速要求滑動(dòng)軸承最小許用潤(rùn)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(rùn)滑油需求油量≤供油設(shè)備最大供油能力的%，特別是低頻機(jī)械振動(dòng)頻率。旋轉(zhuǎn)部件學(xué)性能分析計(jì)算和不平衡響應(yīng)分析計(jì)算。轉(zhuǎn)子力學(xué)性能分析計(jì)算注意以下幾點(diǎn)：模；在轉(zhuǎn)子周向和軸向?qū)ΨQ面處應(yīng)施加對(duì)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(qiáng)度理論計(jì)算。應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：對(duì)于采用滾動(dòng)球軸承支撐的轉(zhuǎn)子，可將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁；對(duì)于采用滑動(dòng)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(jī)模態(tài)分析采用有限元軟件對(duì)電機(jī)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，需注意以下幾點(diǎn)：電機(jī)定子鐵心與吊柱為過盈配合，不存在相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)；忽略定子以及吊柱上面孔、槽、凸臺(tái)、倒角、圓角以及掛鉤等的影響；將重力作為載荷施加到電機(jī)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(jì)冷卻系統(tǒng)風(fēng)路對(duì)于采用內(nèi)部強(qiáng)迫風(fēng)冷、吊柱外部海水冷的電機(jī)，其封閉式循環(huán)空氣