水下航行器辅机电机振动分析及控制对策

彭 威，范则阳，夏 伟，曹 晨，邢 剑

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引言

工程上，水下航行器噪声源被分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等3类。在中低速状态下，机械噪声对水下航行器辐射噪声的影响最大［1］。降低机械噪声一直是水下航行器减振降噪的研究热点，其中辅机是产生机械噪声的主要来源之一。对于水下航行器辅机来说，无论是直接的机械设备振动噪声，还是通过空气向舱室辐射的空气噪声，都来源于作为驱动源的电机振动，因此，对辅机配套电机的振动原因进行分析，从源头上开展辅机振动噪声的控制，是水下航行器减振降噪研究的重要内容，也是下一步开展振动噪声“精细化”控制的方向之一。

本文从理论角度讨论水下航行器辅机电机的振动原因，结合现实条件和实际使用情况，提出几种较可行的控制对策。

1 水下航行器辅机电机的振动原因

1.1 电机振动的分类

电动机作为一种广泛应用的驱动装置，其振动主要包括电磁振动、机械振动及流体动力振动等3类。由电机气隙磁场产生的电磁力激发的振动称为电磁振动;机械振动由电机转子机械不平衡、轴承及其他机械接触部件的摩擦等产生;流体动力振动主要指因电机运行而导致的与电机各部件接触的流体扰动，包括转子旋转、风扇旋转等引起的空气振动或水等液态介质的流体振动。水下航行器辅机电机功率不大，且较多地应用于风机、水泵类负载，不采用水冷即可满足散热要求，因此，流体动力振动主要指空气振动。

1.2 电磁振动的产生根源及径向电磁力分析

按机电能量转换的原理，任何电机都是通过定、转子磁势在气隙中产生的气隙磁场传递电磁功率，以电磁转矩 (或电磁力)的形式将电磁功率传递给负载。但气隙磁场除产生驱动负载的电磁转矩外，还附带产生各次径向、轴向电磁力以及不规则的切向电磁力。正是在这些电磁力的作用下，转子、定子铁芯以及机座才发生周期性振动，称之为电磁振动。

轴向电磁力通过轴承、端盖转化为轴向机械振动，通常可忽略不计;切向电磁力与产生电磁转矩的电磁力方向相同或相反，文献 ［3］认为其与电机的转矩脉动有关，与机壳的振动没有关系。文献 ［2］指出，切向电磁力通过机壳向外传递振动主要体现在使定子齿根弯曲，产生局部振动，也不是电磁振动的主要原因。可见，分析电机电磁振动主要是分析由气隙磁场产生的径向电磁力。

由于电机气隙磁场决定于定、转子绕组磁势和气隙磁导，所以，电磁振动的产生只与定、转子绕组谐波磁势和气隙磁导有关。按电机设计理论，气隙合成磁势可用下式表示:

式中:fp(θ，t)为主波合成磁势，它是机械角位移θ和时间t的函数;分别为定、转子绕组谐波磁势的和。

气隙磁导与定、转子结构和机械角位移θ有关，由于异步电动机存在定、转子间的相对旋转，还与时间t有关，可以表示为Λ(θ)或Λ(θ，t)。

根据麦克斯韦定律，电机气隙中单位面积径向电磁力的瞬时值可表示为

式中b(θ，t)为气隙磁密。在不考虑铁心磁阻时，b(θ，t)可按下式计算:

由此可得出各类电机的径向电磁力。从径向电磁力的分析结果可得出电机电磁振动的基本特征。

对于异步电动机，由主磁场产生的幅值较高、以极数2p为交变频率的径向电磁力，虽然不可避免，但通常只在2极大型电机中重点考虑;由定、转子绕组谐波磁场产生的幅值较小、低次谐波、交变径向电磁力，与谐波次数有关。谐波次数越低，电磁力产生的振动越大，且该径向电磁力与电机定、转子槽数密切相关;当定、转子齿槽参数确定后，定、转子绕组磁势中的齿谐波就不会因绕组形式的改变而削弱了，多数情况下，这是产生电机电磁振动的主要原因［2，4］。因此需在设计中尽量减小低次电磁力的影响，同时考虑定、转子槽数的配合及齿槽参数。

对于同步电机，主磁场产生的电磁力也不可避免。不过，由于存在转子励磁磁场，分析定、转子绕组谐波磁场产生的电磁力时，需考虑转子磁场对定子的影响。

与交流电机不同的是，直流电机的电磁振动主要考虑主磁极与电枢槽间的齿频电磁力，与磁极、槽形及每极槽数有关。

1.3 电机机械振动和空气振动原因分析

电机机械振动是指因电机旋转而产生的由机械原因导致的振动。因此分析机械振动，只需要考虑电机旋转部件，或与旋转部件相接触的部件。对于旋转电机，就是转子、电刷、换向器、轴承以及与轴承接触的端盖等。如果电机同轴带励磁机、风扇等，也需单独考虑。机械振动产生的原因较单一，通常都是因为不对称、不平衡、不均匀、精度低、润滑差等造成。但处理起来往往更麻烦，有时受原理结构、制造水平及工艺等因素的限制而“束手无策”。

空气振动是由电机转子旋转而产生空气旋转、振荡、涡流等导致的振动。空气旋转产生的振动，频率与风扇叶片数、转子转速成正比，分析、确定比较容易;但大中型电机中，需要考虑电机转子通风道中结构件的影响，避免产生“类风扇”的空气旋转振动。转子齿槽、风扇叶片上的凹槽等结构，是产生空气振荡的主要原因。相比之下，空气涡流在电机空气振动原因中最难分析，需要考虑气体流量、风扇外径、周速、结构形式，结合电机温升限值综合分析。

2 水下航行器辅机电机振动控制的特点及对策

2.1 水下航行器辅机电机振动控制的特点

水下航行器是将动力装置、武器装备、通信导航、生活保障等多个系统集成在一个封闭的壳体结构内的复杂水下平台。使用平台的特殊性，决定了水下航行器辅机电机振动的一些特点。

首先，环境及运行工况复杂，增加了辅机电机设计的难度，对电机振动的控制带来一定影响。水下航行器使用环境条件严酷 (如大角度纵倾、横摇)，辅机机舱通风散热条件差，空气温湿度较高，这些因素要求从设计上对电机结构、温升、绝缘电阻以及寿命等采取加强措施，增加了电机的设计复杂性，不利于振动噪声的控制。同时，为保证可靠性，水下航行器辅机使用时的功能备份、功率冗余情况较多，电机的运行工况较复杂，给电机振动的分析和控制带来困难。

其次，辅机电机振动噪声的控制与电机尺寸、重量的控制相互影响，不利于电机噪声性能的优化。众所周知，为减小激振力引起的设备振动，增加激振力所作用物体的重量是最有效的方法之一。对于电机来说，要减小径向电磁力的噪声影响，通常采取定子、机座结构加强的途径来实现。但是，这与水下航行器空间有限，设备尺寸、重量需严格控制的要求存在矛盾。因此，需多方案优化设计，达到噪声控制目标的同时，满足尺寸、重量控制要求。

最后，其他一些外部因素会引起水下航行器辅机电机噪声特性的不确定性，增加了噪声控制的难度。例如，水下航行器特殊的壳体及加强结构可能会对辅机电机共振源的产生有一定作用;供电电源的纹波电压以及变工况时的瞬态电压可能会对电机输出平稳性产生影响。

2.2 水下航行器辅机电机振动控制的对策

水下航行器辅机电机的噪声主要来自于电磁、机械、流体振动，但振动噪声的控制，面临着环境条件、使用工况、安装布置以及其他外部因素的制约，具有显著的特殊性，其方法包括电机的低噪声设计、隔振、总体减振布置等。总结起来，各种方法都可以归结为以下3个对策:

1)内科的对策

为降低与电机设计相关的振动、噪声而采取的措施，称之为“内科的对策”，通常采用各种优化算法或理论。

如前所述，合理的选择异步电动机定、转子槽数，可以减小定、转子谐波磁场产生的径向电磁力，减小齿谐波产生的电磁振动［5］;永磁电机定子槽数、永磁体磁极的优化配置，对于减小齿谐波转矩有显著影响;直流电机电枢槽形、磁极数等的选择可以决定其齿频电磁力的大小。因此，电机设计过程中，只要能在电磁场分析时明确各电磁力的时间谐波和空间谐波分布，并开展电机定、转子固有振动特性的分析计算，就能做到电机振动幅值、频率的控制。

显然，“内科的对策”必须由电机设计方实施。考虑到成熟度、可靠性等因素，水下航行器的辅机一般选用常规类型的电机，相关设计理论成熟，再辅以先进的计算处理技术，设计出合格的低噪声电机并不难做到。

2)外科的对策

即使采取最完善的理论设计出的电机，仍有可能出现不明原因的振动噪声源，例如1.3节提到的因电机制造工艺而产生的对内科来说“束手无策”的振动源。这种情况下，就必须从电机结构外采取措施了。例如，在电机机座上增加加强筋，散热的同时可以改变结构的固有振动频率;给电机设计合适的隔振装置，减小振动传递等。

这种对已设计成型的、机座以外的结构振动、噪声而采取的措施，称之为“外科的对策”。这种对策目前在水下航行器的辅机振动、噪声控制方面应用广泛，主要由总体、系统设计方实施。

水下航行器的辅机及其系统具有较大的继承性、相似性，经过多年的试验研究、经验积累，设计者可以准确定位辅机振动的外部特征点，进而采取结构优化、隔振处理措施。实践证明，采用“外科的对策”控制水下航行器辅机振动噪声，效果明显。

3)神经科的对策

除了从电机本体设计、外部减振优化方面采取措施以外，还应从供电电源、控制方式等角度考虑振动、噪声的影响因素。为降低这种因素的影响而采取的措施，称之为“神经科的对策”。

直流幅压电机由蓄电池组供电，供电电压变化范围较大，且不能控制，造成直流幅压电机输出范围、尺寸、重量普遍较大，运行控制比较粗放，不利于系统低噪声运行控制。

水下航行器辅机用交流电机一般为异步电动机或永磁无刷电动机，采用专用的变频调速装置供电，通过转速、电流闭环，结合先进的控制算法，可以实现电机输出的精确控制。理论上交流电机调速系统具有节能降噪的优势，但实践表明，仍不可忽视变频输出、控制策略等对噪声振动的影响［6］。例如，由于电流谐波、畸变的影响，永磁无刷电机输入电流为方波会比输入正弦波电流产生更大的振动［7］;通过对PWM调制方式、换相技术的优化以及采取电流补偿等措施，可以显著改善调速系统的振动噪声水平［8－9］。

此外，辅机电机启动、变工况运行及停机过程会对负载产生瞬态冲击，极易引起管路的瞬态振动和噪声，需从控制角度开展操作使用优化，减少辅机运行操作时的瞬态噪声源。

从供电品质、控制策略等角度开展辅机电机的减振降噪设计，符合总体“主动”声学设计的要求，是水下航行器辅机系统设计、优化的重要内容，也是进一步控制总体机械噪声水平的重要措施。

3 结语

本文从电机理论角度简述水下航行器辅机电机的振动原因，对常见的引起电磁振动的径向电磁力做了针对性的分析。同时，从水下航行器辅机电机振动产生的特殊性出发，介绍了降低辅机电机振动噪声的3种对策，指出供电品质、控制策略是进一步降低水下航行器辅机振动噪声的重要措施。

［1］朱英富，张国良.舰船隐身技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006.

［2］陈世坤.电机设计(第2版)［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［3］海老原大树(日).电动机技术实用手册［M］.北京:科学出版社，2006.

［4］傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［5］FINLEY W R.Noise in induction motors-causes and treatments［J］.IEEE Transactions On Industry Applications，1991(4):27－38.

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［7］祝长生，陈永校.变频器供电的三相异步电动机的噪声特性［J］.中小型电机，1997，24(5):11－14.

［8］GARCIA O S，DEVANEY M.Minimization of acoustic noise in variable speed induction motors using a modified PWM drive［J］.IEEE Transactions On Industry Applications，1994，30(3):111－115.

［9］LO W C，CHAN C C，ZHU Z Q.Acoustic noise radiated by PWM-controlled induction machinedrives［J］.IEEE Transactions on Industry Electronics，2000，47(4):880－889.