摘 要

随着国家“一带一路”战略的实施，船舶运输行业迎来新的机遇。无轴推进作为一种新型的电力推进系统，具有占用空间小、传输效率高、噪声低等特点，是一种新型的电力推进系统，它完全取消了推进轴系，将螺旋桨和推进电机巧妙地结合在一起，在当下发展的大背景下越来越受到人们的关注。电磁噪声作为电机噪声的主要来源之一，它主要是由电机内部的径向电磁力引起的。对于无轴推进电机，其电机集成在推进器中，且推进器置于水下，向外的声辐射比空气中大得多，相比较于常规推进系统。其电磁噪声更加不能忽略。因此，对无轴推进电机的电磁噪声进行研究，对船舶正常运行、提高舰船的声隐身性具有重要意义。

本文以无轴轮缘侧推器推进电机为研究对象，研究其振动特性，具体工作如下：

（1）建立电机数学模型并分析电机转动机理，根据无轴轮缘推进器用永磁同步电机的技术要求，对电机进行电磁设计，选取适当的电磁负荷，估算电机尺寸，确定绕组布线方式、定子槽型、转子结构、永磁体材料与尺寸等，初步确定一套电机电磁设计方案。最终确定合理的设计方案。

（2）根据电机尺寸，利用ANSYS Maxwell建立无轴轮缘推进电机定子的模型，然后利用ANSYS Workbench建立电机定子的有限元模型，并对定子自由状态和约束状态进行模态分析。

（3）利用ANSYS Maxwell软件求出无轴轮缘推进电机的径向电磁力，然后将其加载到定子上，对定子进行谐响应分析，求出定子表面加速度和位移频率响应图，并对定子的振动云图进行分析。

（4）介绍电机定子不同槽型和槽口数量下对声辐射的影响。

关键词：无轴轮缘推进电机；永磁同步电机；有限元方法；径向电磁力；电磁噪声

Abstract

With the implementation of the national “One Belt, One Road” strategy, the ship transportation industry has ushered in new opportunities.As a new type of electric propulsion system, shaftless propulsion has the characteristics of small footprint, high transmission efficiency and low noise. It is a new type of electric propulsion system, which completely eliminates the propulsion shafting and subtly advances the propeller and propulsion motor. Combined, in the context of the current development, more and more people are paying attention.Electromagnetic noise is one of the main sources of motor noise, and its group is caused by the radial electromagnetic force inside the motor.For a shaftless propulsion motor, the motor is integrated in the propeller and the propeller is underwater, and the outward acoustic radiation is much larger than in air, compared to conventional propulsion systems.Its electromagnetic noise can not be ignored.Therefore, research on the electromagnetic noise of the shaftless propulsion motor is of great significance to the normal operation of the ship and the improvement of the acoustic stealth of the ship.

In this paper, the non-axis rim thruster propulsion motor is taken as the research object, and its vibration characteristics are studied. The specific work is as follows:

(1)Establish the mathematical model of the motor and analyze the motor rotation mechanism. According to the technical requirements of the permanent magnet synchronous motor for the shaftless rim thruster, the electromagnetic design of the motor is carried out, the appropriate electromagnetic load is selected, the motor size is estimated, the winding wiring mode, the stator slot type, The rotor structure, permanent magnet material and size, etc., initially determined a set of motor electromagnetic design. A reasonable design scheme is finally determined.

(2)According to the size of the motor, ANSYS Maxwell was used to build the model of the shaftless rim propulsion motor stator. Then the ANSYS Workbench was used to establish the finite element model of the motor stator, and the modal analysis of the stator free state and the constraint state was carried out.

(3)The ANSYS Maxwell software is used to obtain the mirror electromagnetic force of the shaftless rim propulsion motor, and then it is loaded onto the stator. The harmonic response analysis of the stator is performed to obtain the stator surface acceleration and displacement frequency response diagram, and the vibration waveform of the stator is performed. analysis.

(4)The effect of different stator types and slots on the acoustic radiation of the motor stator is introduced.

Key words: shaftless rim propulsion motor; permanent magnet synchronous motor; finite element method; radial electromagnetic force; electromagnetic noise

目 录

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 船舶电力推进系统发展 1

1.3 无轴推进电机及电磁噪声简介 3

1.3.1 无轴推进电机简介 3

1.3.2 电磁噪声简介 5

1.4 无轴轮缘推进器国内外研究现状 6

1.5 永磁同步电机应用于轮缘推进器的优越性 7

1.6 本文主要研究内容及章节安排 8

第二章 电机的电磁设计与水下防护 10

2.1 永磁同步电机基本结构与分类 10

2.2 永磁同步电机的数学模型 11

2.3 永磁同步电机的电磁设计 13

2.3.1 电机设计目标要求 13

2.3.2 定、转子等关键尺寸求解 14

2.3.3 绕组设计与绕线分布 16

2.4 电机的水下防护 18

2.4.1 电机水下防护需求 18

2.4.2 电机水下防护材料对比 18

2.5 本章小结 19

第三章 定子的模态分析 20

3.1 模态分析理论 20

3.1.1 有限元方法 20

3.1.2 模态理论基础 20

3.2 无轴推进电机定子铁芯有限元模型的建立与模态分析 21

3.2.1 电机定子的实体建模 22

3.2.2 电机定子有限元模型的建立 22

3.2.3 定子模态分析 23

3.3 本章小结 29

第四章 电机的振动响应分析 30

4.1 振动有限元理论基础 30

4.1.1 振动与噪声的关系 30

4.1.2 谐响应分析概述 31

4.1.3 电机电磁力的计算 31

4.2 基于ANSYS Workbench的电机定子谐响应分析 33

4.2.1 电磁力的施加和边界条件的设定 33

4.2.2 计算结果分析 34

4.3 本章小结 38

第五章 电机定子结构对电磁噪声的影响 39

5.1 电机定子斜槽对声辐射的影响 39

5.2 电机定子槽数对声辐射的影响 39

5.3 本章小结 39

第六章 总结与展望 41

6.1 总结 41

6.2 展望 41

参考文献 43

致谢 45

第一章 绪论

1.1前言

船舶电力推进技术已经有一百多年的历史，从上世纪80年代开始，随着推进电机、微电子信息技术和供电系统等科学技术的发展，船舶的电力推进技术得到了完善。近年来，船舶越来越大型化，传统船舶推进技术已逐渐显现出它的劣势，不能更好的满足现今的工作要求。在传统推进系统中，随着主机单机功率的增大，其体积也随之增大，推进轴系长度过长，由于部分船舱被轴系占用，使得机舱空间利用率较低，同时，推进轴系结构越来越复杂，能量传递损耗逐渐增大，传递效率低，增加了船舶的设计难度和建造成本，再加上推进轴系的工作也会带来很大的振动噪声，这些缺陷让人们逐渐将目光转向更加先进的无轴推进系统上来^[1][2]。

1.2船舶电力推进系统发展

使用传统柴油动力系统的船舶，系统复杂、油耗高、故障率高、排放污染严重，因此船舶电动化是大势所趋。船舶电力推进具有能耗低、排放少、噪声低、操纵性好、布置空间小、系统布置灵活等传统柴油机推进无法比拟的优点。

第一代电力推进系统，只是在传统的柴油机推进系统基础上，用卧式电机取代了柴油机，电机通过联轴器驱动齿轮箱、卧式轴系、艉管艉轴承装置、螺旋桨、舵机舵叶等机构。如图1.1。由于中间有齿轮箱传动，较长的轴系以及滑动轴承带来的摩擦力过大。缺点是效率低、噪音大、占用的空间大，同时由于舵的存在导致船舶操纵性差^[3]。

图1.1 第一代电力推进系统结构示意图

第二代电力推进系统，与第一代相比取消了舵机和舵系，轴承长度变短，由电机带动全回转桨。如图1.2。优点是效率相比于第一代有所提高，电机带动全回转桨占用的空间小，操纵性提高，安装相对方便。缺点是虽然轴系长度缩短使得效率提高但依然不理想，并且噪声问题依然存在^[4]。

图1.2 第二代电力推进系统结构示意图

第三代电力推进系统又名吊舱式电力推进系统。吊舱式推进器将推进电机至于船舱外部，直接与螺旋桨相连，转子与螺旋桨一体化。如图1.3优点是与前两代相比，节能减排，增加了船舶设计、建造和使用的灵活性和操纵性。电机直接驱动螺旋桨，效率更高。噪声和振动问题也得到改善。缺点是水下结构庞大，密封问题仍然存在，维护保养麻烦，故障率高，价格相对较高^[5]。

图1.3 吊舱式电力推进系统结构示意图

最新一代也是最先进的电力推进系统，又名轮缘推进器（环推）推进系统。环推电力推进系统可分两种：由发电机组驱动的环推系统和由电池组驱动的环推系统。如图1.4和1.5。其中发电机组环推取消了吊舱庞大的水下机构和轴密封。电池组环推在取消吊舱机构基础上采用电池组取代柴油发电机。

图1.4 发电机组驱动环推电力推进系统结构示意图

图1.5电池组驱动环推电力推进系统结构示意图

1.3无轴推进电机及电磁噪声简介

1.3.1无轴推进电机简介

目前集成电机的推进技术主要有三种模式^[6]：轮缘驱动、轮毂驱动、内部驱动。

(1)轮缘驱动。螺旋桨和电机结合起来，其中螺旋桨安装在轮缘电机转子内径中，电机中间不需要支撑物来进行支撑，依靠转子将其带动旋转。推进器的转子做成了环形结构，定子上则装带有水润滑的支座滑动轴承。轮缘驱动的优点是具有很高的推进效率，当电机上的螺旋桨损坏时不需要将其整体拆除，只需单独更换损坏的叶片即可。

(2)轮毂驱动。轮毂推进器按照轴承组件安装位置的不同，可以分为两种方式，一种是轴承组件安装在外侧定子中，另一种是将轴承组件安装在内部轮毂内。轮毂驱动的驱动力往往比较大，适合向大功率电机方向发展。

(3)内部驱动。美国海军对此进行了研究并且在新研发的潜艇上集成了无轴电机，其中引入了一种无轴推进器，推进器安装在潜艇的耐压舱内，采用永磁电机，结构类似于戒指，中心有很大空间。

无轴推进系统的优势体现在推进器不需要穿透船体，在现有的电力推进系统上进行创新，取消了推进轴，把螺旋桨直接固定安装在永磁同步电机转子上，随着电机转子同步转动^[7]。这种结构设计有效避免了传统电力推进系统的缺点，同时永磁同步电机直接与海水接触，散热可以得到很大的改善，减少了船舶在航行时的噪音，这将在渔船、游轮以及军舰等方面体现重大作用；永磁同步电机外置又有效节约了船舱空间，可以广泛应用于水下航行器的动力推进系统。其独特的设计理念和具有创新的制造思路将会成为新一代船舶推进技术的典范。如图1.6所示^[8]，为无轴轮缘推进电机结构示意图。

1.电机定子；2.电机转子；3.轮缘驱动式螺旋桨叶片；4.旋转环；5.首末端流线外壳；6.固定轴承；7.推进器外壳；8.海水冷却孔

图1.6 无轴轮缘推进器基本结构示意图

相比于其他推进系统，对于无轴轮缘推进电机有很多优势，具体如下：

(1)提高船舶推进效率

船舶的推进效率和船舶型号和推进类型息息相关。有学者做过一个统计^[7]，将无轴推进船舶和其他传统船舶的推进效率做了对比，如表1.1所示，从表格中可以看出，无轴推进可以明显提高船舶的推进效率。这是因为无轴推进系统可以改善船舶尾部的线性，提升船尾的流场品质，在优化船舶外形的同时，还提高了船舶的水动力特性，另外，无轴推进系统结构比传统推进系统简单，去掉了庞大而笨重的轴系。据统计，采用无轴推进系统的船舶可以提高20%-25%的推进效率^[9][10]。

表1.1 不同船舶推进效率比较^[7]

(2)提高空间利用率

在传统的轴系推进系统中，轴系约占用船舶总长度的15%-20%，船舶在结构总体设计上经常因为要不得不考虑轴系的问题而受到限制，。即使采用效率比较高的传统电力推进，还是需要考虑轴系要占用的空间，据统计^[11]，采用无轴推进的船舶相较于传统推进系统可以节省占用空间的60%-70%，可以提高15%-25%的空间利用率。

(3)提高舰船的隐蔽性

船舶在海上运行时，传统推进船舶由于轴系动力系统而产生的振动大约占到船舶总振动的60%-70%，在这种船舶上，振动和噪声辐射会严重损害船上人员的健康。对军用产品，振动和噪声辐射会对舰船和水下航行器的隐蔽性和生存能力造成严重的威胁。美国海军在无轴推进上投入了大量的研究^[12]。无轴电机由于其结构的独特性，会大大降低舰船的振动辐射，从而提高其隐蔽性。

1.3.2电磁噪声简介

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