3.25 MW船用主推进电动机设计

徐一品

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2. 上海电机厂有限公司，上海 200240)

3.25 MW船用主推进电动机设计

徐一品1，2

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2. 上海电机厂有限公司，上海 200240)

介绍了3.25 MW船用主推进电动机的电磁设计及结构特点。指出船用主推进电动机的现场空间有限，环境空气潮湿，变频调速运行及前后左右摇晃等工况。介绍了主推进电动机的磁密、绝缘结构、冷却方式、机座结构、轴的结构、轴承止推结构及盐雾防护的设计特点和方法。最后通过对该电机试验数据中温升和振动数值的分析，证实了电机设计方法的合理性。

变频电机；船用推进电动机 ；风路；轴电流

0 引言

船用推进电动机是船舶动力系统的重要部件。电动机的性能及质量直接影响着船舶的运行安全。船用推进电动机受到船体结构的限制、外形尺寸和重量都有特殊的要求。为了满足安装要求，电动机采用了更小的中心高和紧凑的结构。本电动机功率3 250 kW，合理地设计电动机的电磁负荷、提高效率、增强散热能力使电动机温升符合标准是电动机设计的关键。

1 电磁设计

1.1 电动机基本参数：

•型号：YBKS630-6

•功率：3 250 kW

•额定电压：3×3×675 V 三变频器供电

•额定频率：50 Hz

•冷却方式：IC86W 淡水

•额定转速：1 000 r/min

•转速范围：0～1 000 r/min 恒转矩 1 000～1 100 r/min 恒功率

•外形尺寸要求：3 150 mm×2 600 mm×2 400 mm

•效率96.8%，功率因数0.85 。

•电动机采用F级绝缘、F级考核，

1.2 电动机损耗与磁密

由于变频器以非正弦波供电时，电动机内除了由基波电压产生的损耗外，还有变频电源中的谐波和负序电压产生的附加损耗。这些附加损耗取决于电动机的转速、电压、电流及变频器输出波形。如果变频器没有串联电感和滤波器，这些损耗一般是基本损耗的10%～20%。所以电动机在设计中应尽量减小定、转子电阻，减少附加铜耗。为了减少高次谐波的影响，应适当地增大电动机电感。另外，考虑谐波的影响，电动机的磁路设计不能饱和而应留有裕度。电动机定子齿部磁密Bt1=1.558 T，转子齿部磁密Bt2=1.709 T。

1.3 电动机绝缘

由于变频器提供的是方波电压，du/dt较大，这可能破坏电动机绝缘，影响电动机寿命。所以电动机在设计中应加强电动机绝缘性能。本电动机采用变频少胶绝缘规范，加强了对地绝缘和匝间绝缘。

2 结构设计

2.1 冷却方式

船用电动机冷却方式一般有空空冷IC611、空水冷IC81W、强迫空冷IC666及强迫水冷IC86W等方式。由于船舱环境密封，空气与外部很难交换，所以电动机采用空水冷却。因为船用主推进电动机的调速范围从0 r/min到1 100 r/min。电动机低速时，轴上风扇的换热效果明显降低。为了提高电动机低速时的换热的能力，减少电动机温升，电动机的冷却方式采用IC86W。

由于电动机高度尺寸限制，电动机冷却采用对称风路结构。电动机总图见图1。

2.2 电动机机座设计

由于电动机功率大，电磁转矩较标准系列电动机高很多。为了增强电动机机座强度并减少电动机振动，电动机机座中壁厚度放大，并在电动机内部支撑钢板，提高机座整体强度。机座见图2。

图1 电动机总图

图2 机座

电动机采用三绕组供电，电缆根数较多。为了减少出线电缆对电动机风路的影响，将电动机其中两个出线盒放置在电动机接线端侧。

2.3 电动机轴的设计

轴采用焊筋轴结构，焊筋中安装通风隔板。轴的挠度经计算校验，挠度值0.028 mm(考虑单边磁拉力的影响)占气隙的9.3%，小于气隙的10%。

2.4 轴承结构设计

逆变器引起的共模电压会在电动机轴上产生感应电势。这种感应电势超过一定的值后就会击穿轴承油膜，对轴承造成致命伤害。电动机轴承采用前、后绝缘结构以提高击穿电压值。在轴伸端安装有接地碳刷，可将轴电流通过机壳引入大地，起到双重保护。电动机前轴承见图3。

为了克服船体倾斜所带来的推力，电动机前轴承采用圆柱滚子轴承。电动机后轴承采用背靠背单列角接触球轴承，可以克服电动机前后倾斜时所带来的自身径向力。角接触轴承外采用紧固螺母与止动垫圈锁紧。电动机后轴承见图4。这种结构的优点是：1)每个轴承负责一个方向的推力。2)牢固可靠寿命长。3)安装方便。4)价格便宜。

这种结构的缺点是轴承内部轴承加油困难。

图3 电动机前轴承

图4 电动机后轴承

2.5 其他防护

为了提高出线盒的防护等级，出线盒口采用填料函密封结构。主出线盒见图5。

为了适应海上严峻的现场环境。电动机所有的外露紧固件、金属件、电动机表面油漆按防盐雾要求处理。

图5 主出线盒

3 电动机试验数据

电动机在制造完成后，通过变频器供电的发电机组供电时的试验数据见下表1、表2。

表1 电动机振动试验数值

表2 电动机温升试验数值

4 结语

从表1、表2中可以看出：1)电动机的结构设计合理，振动值在国标规定的范围内。2)电动机的绝缘系统为F级，绕组温升按F级考核。埋置法允许温升为105 K，实测温升为93 K，温升仍有裕度。

船用电动机运行工况较差，负载波动较大不规律。在推进电动机的设计过程中，电磁和结构设计过程中要放充足的余量。这次电动机的设计制造成功，为以后设计和制造上提供了经验。

[1] 陈世坤.电机设计.2版[M].北京：机械工业出版社2000.

[2] 颜枫，颜繁利.船用变频电机与普通电机在设计上的区别[J].防爆电机,2012(2):18～19.

徐一品，男，1986年生，2008年合肥工业大学电气工程毕业。自毕业以来一直在上海电机厂从事中型异步电动机设计。2012年3就读上海交通大学电子信息与电气工程学院在职硕士。