水下航行器輔機電機振動分析及控制對策

彭 威，范則陽，夏 偉，曹 晨，邢 劍

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

工程上，水下航行器噪聲源被分為機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲等3類。在中低速狀態下，機械噪聲對水下航行器輻射噪聲的影響最大［1］。降低機械噪聲一直是水下航行器減振降噪的研究熱點，其中輔機是產生機械噪聲的主要來源之一。對于水下航行器輔機來說，無論是直接的機械設備振動噪聲，還是通過空氣向艙室輻射的空氣噪聲，都來源于作為驅動源的電機振動，因此，對輔機配套電機的振動原因進行分析，從源頭上開展輔機振動噪聲的控制，是水下航行器減振降噪研究的重要內容，也是下一步開展振動噪聲“精細化”控制的方向之一。

本文從理論角度討論水下航行器輔機電機的振動原因，結合現實條件和實際使用情況，提出幾種較可行的控制對策。

1 水下航行器輔機電機的振動原因

1.1 電機振動的分類

電動機作為一種廣泛應用的驅動裝置，其振動主要包括電磁振動、機械振動及流體動力振動等3類。由電機氣隙磁場產生的電磁力激發的振動稱為電磁振動;機械振動由電機轉子機械不平衡、軸承及其他機械接觸部件的摩擦等產生;流體動力振動主要指因電機運行而導致的與電機各部件接觸的流體擾動，包括轉子旋轉、風扇旋轉等引起的空氣振動或水等液態介質的流體振動。水下航行器輔機電機功率不大，且較多地應用于風機、水泵類負載，不采用水冷即可滿足散熱要求，因此，流體動力振動主要指空氣振動。

1.2 電磁振動的產生根源及徑向電磁力分析

按機電能量轉換的原理，任何電機都是通過定、轉子磁勢在氣隙中產生的氣隙磁場傳遞電磁功率，以電磁轉矩 (或電磁力)的形式將電磁功率傳遞給負載。但氣隙磁場除產生驅動負載的電磁轉矩外，還附帶產生各次徑向、軸向電磁力以及不規則的切向電磁力。正是在這些電磁力的作用下，轉子、定子鐵芯以及機座才發生周期性振動，稱之為電磁振動。

軸向電磁力通過軸承、端蓋轉化為軸向機械振動，通常可忽略不計;切向電磁力與產生電磁轉矩的電磁力方向相同或相反，文獻 ［3］認為其與電機的轉矩脈動有關，與機殼的振動沒有關系。文獻 ［2］指出，切向電磁力通過機殼向外傳遞振動主要體現在使定子齒根彎曲，產生局部振動，也不是電磁振動的主要原因。可見，分析電機電磁振動主要是分析由氣隙磁場產生的徑向電磁力。

由于電機氣隙磁場決定于定、轉子繞組磁勢和氣隙磁導，所以，電磁振動的產生只與定、轉子繞組諧波磁勢和氣隙磁導有關。按電機設計理論，氣隙合成磁勢可用下式表示:

式中:fp(θ，t)為主波合成磁勢，它是機械角位移θ和時間t的函數;分別為定、轉子繞組諧波磁勢的和。

氣隙磁導與定、轉子結構和機械角位移θ有關，由于異步電動機存在定、轉子間的相對旋轉，還與時間t有關，可以表示為Λ(θ)或Λ(θ，t)。

根據麥克斯韋定律，電機氣隙中單位面積徑向電磁力的瞬時值可表示為

式中b(θ，t)為氣隙磁密。在不考慮鐵心磁阻時，b(θ，t)可按下式計算:

由此可得出各類電機的徑向電磁力。從徑向電磁力的分析結果可得出電機電磁振動的基本特征。

對于異步電動機，由主磁場產生的幅值較高、以極數2p為交變頻率的徑向電磁力，雖然不可避免，但通常只在2極大型電機中重點考慮;由定、轉子繞組諧波磁場產生的幅值較小、低次諧波、交變徑向電磁力，與諧波次數有關。諧波次數越低，電磁力產生的振動越大，且該徑向電磁力與電機定、轉子槽數密切相關;當定、轉子齒槽參數確定后，定、轉子繞組磁勢中的齒諧波就不會因繞組形式的改變而削弱了，多數情況下，這是產生電機電磁振動的主要原因［2，4］。因此需在設計中盡量減小低次電磁力的影響，同時考慮定、轉子槽數的配合及齒槽參數。

對于同步電機，主磁場產生的電磁力也不可避免。不過，由于存在轉子勵磁磁場，分析定、轉子繞組諧波磁場產生的電磁力時，需考慮轉子磁場對定子的影響。

與交流電機不同的是，直流電機的電磁振動主要考慮主磁極與電樞槽間的齒頻電磁力，與磁極、槽形及每極槽數有關。

1.3 電機機械振動和空氣振動原因分析

電機機械振動是指因電機旋轉而產生的由機械原因導致的振動。因此分析機械振動，只需要考慮電機旋轉部件，或與旋轉部件相接觸的部件。對于旋轉電機，就是轉子、電刷、換向器、軸承以及與軸承接觸的端蓋等。如果電機同軸帶勵磁機、風扇等，也需單獨考慮。機械振動產生的原因較單一，通常都是因為不對稱、不平衡、不均勻、精度低、潤滑差等造成。但處理起來往往更麻煩，有時受原理結構、制造水平及工藝等因素的限制而“束手無策”。

空氣振動是由電機轉子旋轉而產生空氣旋轉、振蕩、渦流等導致的振動。空氣旋轉產生的振動，頻率與風扇葉片數、轉子轉速成正比，分析、確定比較容易;但大中型電機中，需要考慮電機轉子通風道中結構件的影響，避免產生“類風扇”的空氣旋轉振動。轉子齒槽、風扇葉片上的凹槽等結構，是產生空氣振蕩的主要原因。相比之下，空氣渦流在電機空氣振動原因中最難分析，需要考慮氣體流量、風扇外徑、周速、結構形式，結合電機溫升限值綜合分析。

2 水下航行器輔機電機振動控制的特點及對策

2.1 水下航行器輔機電機振動控制的特點

水下航行器是將動力裝置、武器裝備、通信導航、生活保障等多個系統集成在一個封閉的殼體結構內的復雜水下平臺。使用平臺的特殊性，決定了水下航行器輔機電機振動的一些特點。

首先，環境及運行工況復雜，增加了輔機電機設計的難度，對電機振動的控制帶來一定影響。水下航行器使用環境條件嚴酷 (如大角度縱傾、橫搖)，輔機機艙通風散熱條件差，空氣溫濕度較高，這些因素要求從設計上對電機結構、溫升、絕緣電阻以及壽命等采取加強措施，增加了電機的設計復雜性，不利于振動噪聲的控制。同時，為保證可靠性，水下航行器輔機使用時的功能備份、功率冗余情況較多，電機的運行工況較復雜，給電機振動的分析和控制帶來困難。

其次，輔機電機振動噪聲的控制與電機尺寸、重量的控制相互影響，不利于電機噪聲性能的優化。眾所周知，為減小激振力引起的設備振動，增加激振力所作用物體的重量是最有效的方法之一。對于電機來說，要減小徑向電磁力的噪聲影響，通常采取定子、機座結構加強的途徑來實現。但是，這與水下航行器空間有限，設備尺寸、重量需嚴格控制的要求存在矛盾。因此，需多方案優化設計，達到噪聲控制目標的同時，滿足尺寸、重量控制要求。

最后，其他一些外部因素會引起水下航行器輔機電機噪聲特性的不確定性，增加了噪聲控制的難度。例如，水下航行器特殊的殼體及加強結構可能會對輔機電機共振源的產生有一定作用;供電電源的紋波電壓以及變工況時的瞬態電壓可能會對電機輸出平穩性產生影響。

2.2 水下航行器輔機電機振動控制的對策

水下航行器輔機電機的噪聲主要來自于電磁、機械、流體振動，但振動噪聲的控制，面臨著環境條件、使用工況、安裝布置以及其他外部因素的制約，具有顯著的特殊性，其方法包括電機的低噪聲設計、隔振、總體減振布置等。總結起來，各種方法都可以歸結為以下3個對策:

1)內科的對策

為降低與電機設計相關的振動、噪聲而采取的措施，稱之為“內科的對策”，通常采用各種優化算法或理論。

如前所述，合理的選擇異步電動機定、轉子槽數，可以減小定、轉子諧波磁場產生的徑向電磁力，減小齒諧波產生的電磁振動［5］;永磁電機定子槽數、永磁體磁極的優化配置，對于減小齒諧波轉矩有顯著影響;直流電機電樞槽形、磁極數等的選擇可以決定其齒頻電磁力的大小。因此，電機設計過程中，只要能在電磁場分析時明確各電磁力的時間諧波和空間諧波分布，并開展電機定、轉子固有振動特性的分析計算，就能做到電機振動幅值、頻率的控制。

顯然，“內科的對策”必須由電機設計方實施。考慮到成熟度、可靠性等因素，水下航行器的輔機一般選用常規類型的電機，相關設計理論成熟，再輔以先進的計算處理技術，設計出合格的低噪聲電機并不難做到。

2)外科的對策

即使采取最完善的理論設計出的電機，仍有可能出現不明原因的振動噪聲源，例如1.3節提到的因電機制造工藝而產生的對內科來說“束手無策”的振動源。這種情況下，就必須從電機結構外采取措施了。例如，在電機機座上增加加強筋，散熱的同時可以改變結構的固有振動頻率;給電機設計合適的隔振裝置，減小振動傳遞等。

這種對已設計成型的、機座以外的結構振動、噪聲而采取的措施，稱之為“外科的對策”。這種對策目前在水下航行器的輔機振動、噪聲控制方面應用廣泛，主要由總體、系統設計方實施。

水下航行器的輔機及其系統具有較大的繼承性、相似性，經過多年的試驗研究、經驗積累，設計者可以準確定位輔機振動的外部特征點，進而采取結構優化、隔振處理措施。實踐證明，采用“外科的對策”控制水下航行器輔機振動噪聲，效果明顯。

3)神經科的對策

除了從電機本體設計、外部減振優化方面采取措施以外，還應從供電電源、控制方式等角度考慮振動、噪聲的影響因素。為降低這種因素的影響而采取的措施，稱之為“神經科的對策”。

直流幅壓電機由蓄電池組供電，供電電壓變化范圍較大，且不能控制，造成直流幅壓電機輸出范圍、尺寸、重量普遍較大，運行控制比較粗放，不利于系統低噪聲運行控制。

水下航行器輔機用交流電機一般為異步電動機或永磁無刷電動機，采用專用的變頻調速裝置供電，通過轉速、電流閉環，結合先進的控制算法，可以實現電機輸出的精確控制。理論上交流電機調速系統具有節能降噪的優勢，但實踐表明，仍不可忽視變頻輸出、控制策略等對噪聲振動的影響［6］。例如，由于電流諧波、畸變的影響，永磁無刷電機輸入電流為方波會比輸入正弦波電流產生更大的振動［7］;通過對PWM調制方式、換相技術的優化以及采取電流補償等措施，可以顯著改善調速系統的振動噪聲水平［8－9］。

此外，輔機電機啟動、變工況運行及停機過程會對負載產生瞬態沖擊，極易引起管路的瞬態振動和噪聲，需從控制角度開展操作使用優化，減少輔機運行操作時的瞬態噪聲源。

從供電品質、控制策略等角度開展輔機電機的減振降噪設計，符合總體“主動”聲學設計的要求，是水下航行器輔機系統設計、優化的重要內容，也是進一步控制總體機械噪聲水平的重要措施。

3 結語

本文從電機理論角度簡述水下航行器輔機電機的振動原因，對常見的引起電磁振動的徑向電磁力做了針對性的分析。同時，從水下航行器輔機電機振動產生的特殊性出發，介紹了降低輔機電機振動噪聲的3種對策，指出供電品質、控制策略是進一步降低水下航行器輔機振動噪聲的重要措施。

［1］朱英富，張國良.艦船隱身技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2006.

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［3］海老原大樹(日).電動機技術實用手冊［M］.北京:科學出版社，2006.

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