T/CSNAME 089-2024 T型吊舱推进器推进电机设计方法

ICS 47.020.20
CCS K 20
团体标准
T/CSNAME 089—2024 T型吊舱推进器推进电机设计方法
Design methods of thruster motor for T podded propulsor
2024 - 06 - 30发布2024 - 10 -01实施
中国造船工程学会发布

前言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国造船工程学会标准化学术委员会提出。
本文件由中国造船工程学会归口。
本文件起草单位：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所。
本文件主要起草人：赵泰然、李姗、杨智、张家玉、陈琳。
T/CSNAME 089—2024
1
T型吊舱推进器推进电机设计方法
1 范围
本文件规定了T型吊舱推进器推进电机（以下简称电机）的设计输入、设计内容、设计程序和设计要求。
本文件适用于船舶电力推进系统中T型吊舱推进器推进电机的设计。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 755-2019 旋转电机定额和性能
GB/T 21466.3-2008 稳态条件下流体动压径向滑动轴承圆形滑动轴承第3部分：许用的运行参数
GB/T 22720.2-2019 旋转电机电压型变频器供电的旋转电机耐局部放电电气绝缘结构(Ⅱ型)的鉴定试验
3 术语和定义
GB/T 755-2019、GB/T 22720.2-2019界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
推进电机 thruster motor
用于直接驱动螺旋桨的电机。
3.2
T型吊舱推进器 T podded propulsor
将推进电机、滑环装置、回转装置等集成一体的船舶推进装置，其中推进器回转轴线与电机轴线相交成“T”型。
4 设计输入
4.1 电系统要求
电系统对电机的要求主要为变频器对电机的要求，具体如下：
a) 电压：包括电机进线端的额定电压，变频器输出的峰值（冲击）电压、峰-峰冲击电压、基频峰-峰电压、冲击电压重复率、冲击上升时间、突变电压;
b) 电流：变频器可以输出的最大电流;
c) 频率：变频器可以输出满足电机控制需要的最大频率和最小频率；
d) 相数等。
4.2 机械系统要求
T型吊舱推进器的吊柱部分即为电机的外壳，根据吊柱的尺寸要求和吊舱推进器的重量要求确定电机的以下项目：
a) 定子外径尺寸限值；
b) 长度限值；
c) 重量限值。
4.3 工作环境要求
T/CSNAME 089—2024
2
根据T型吊舱推进器安装船舶航行水域的温度和电机冷却介质（冷却风）的温度确定以下要求：
a)环境温度；
b)冷却介质温度。
4.4 性能指标要求
根据T型吊舱推进器的要求，确定电机的以下性能指标：
a)额定功率；
b)转速；
c)工作制；
d)效率；
e)功率因数；
f)最大转矩倍数；
g)使用寿命；
h)振动和噪声限值等。
5 设计内容
5.1 电机总体设计
电机总体设计包含以下几个部分：
a)安装方式；
b)结构形式；
c)冷却方式；
d)轴承形式；
e)绝缘。
5.2 电机电磁设计
电机电磁设计主要包含以下内容：
a)主要尺寸；
b)极数、定子槽数；
c)定子绕组；
d)定子槽型尺寸；
e)电励磁转子磁极；
f)电励磁转子励磁绕组；
g)永磁转子；
h)电磁性能计算；
i)永磁转子退磁计算。
5.3 电机结构设计
电机结构设计主要包含以下内容：
a)吊柱；
b)轴承；
c)旋转部件；
d)整机模态分析。
5.4 电机冷却系统设计
电机冷却系统设计包含以下内容：
a)冷却系统风路；
b)流场和温度场仿真计算。
6 设计程序
T/CSNAME 089—2024
3
图1 电机设计流程图
T/CSNAME 089—2024
4
根据设计输入信息，进行电机总体设计，按确定的结构形式进行电磁设计、结构设计、冷却系统设
计等工作。设计程序的流程如图1所示。
7 详细设计
7.1 电机初步设计
7.1.1 安装方式
电机位于吊舱推进器下部，属于水下结构部分。吊舱推进器水下结构部分为圆筒形，电机内嵌其中，
如图2 所示。
图2 T 型吊舱推进器结构图
7.1.2 结构形式
电机结构形式可根据推进器功率确定，推进功率等级在10 MW及以下的电机宜选用永磁同步电机，
功率在10 MW级以上的时宜选用电励磁同步电机。
7.1.3 冷却方式
电机转矩密度大，宜采用内部封闭循环强迫风冷的冷却方式。根据电机定子铁心与吊柱的安装方式
来确定是否在定子和转子上设置径向通风道：
a) 当定子铁心与吊柱之间采用过盈连接，即定子铁心外表面与吊柱内表面紧密结合，定子铁心
和绕组的热量可以通过传导的方式传递到吊柱外部的海水，则不在定子和转子上设置径向通
风道；
b) 当定子铁心背部有支撑结构，可以与吊柱之间形成冷却风路，电机的热量主要靠冷却空气带
走，则需要在定子和转子上设置径向通风道。
滑环装置
回转装置
推进电机
螺旋桨
T/CSNAME 089—2024
5
7.1.4 轴承形式
适用于电机的主要轴承形式为滚动轴承和滑动轴承，推进电机功率在18MW及以下时宜选用滚动轴承，功率在18MW以上时宜选用滑动轴承。
7.1.5 绝缘
电机的绝缘设计应注意以下事项：
a) 电机的绝缘等级需结合电机运行工况、冷却介质温度进行选择，可以选择F级或者H级的绝缘系统；
b) 基频峰峰-值电压较大时需要加强主绝缘和防晕结构的设计；
c) 冲击电压重复率较大时需要加强匝间绝缘和防晕结构的设计；
d) 突变电压较大时需要加强匝间绝缘和防晕结构的设计；
e) 冲击上升时间较小时需要加强匝间绝缘和防晕结构的设计；
f) 峰-峰冲击电压较大时需要加强防晕结构的设计；
g) 当变频器与电机之间的电缆长度较长时，需要考虑电缆长度对电机端电压增量的影响，特别是冲击上升时间较小时，需要加强电机主绝缘的设计；不同冲击上升时间下电机端在无穷大阻抗下最大电压增量和电缆长度的函数关系按GB/T 22720.2-2019中第4章执行。
7.2 电机电磁设计
7.2.1 主要尺寸
7.2.1.1 定子铁心内径和长度的确定
电机主要电磁设计参数之间的关系见式（1）：
??’=1.64×10−2??’?wm?dp?????12??? ··············································· (1)
式中：
PN’ ———计算功率，单位为千瓦（kW）；
αp’ ———计算极弧系数；
Kwm ———气隙磁场波形系数；
Kdp ———定子绕组系数；
A ———线负荷，单位为安培/厘米（A/cm）；
Bδ ———气隙磁密，单位为特斯拉（T）；
Di1———定子铁心内径，单位为米（m）;
l ———定子铁心长度，单位为米（m）;
nN ———额定转速，单位为转/分钟（r/min）。
由于式（1）中αp’、Kwm、Kdp的数值一般变化不大，因此在容量、转速一定的情况下，电机的尺寸在很大程度上取决于电磁负荷A、Bδ，电磁负荷推荐值见表2。
表
1 表电磁负荷A、Bδ推荐值
电磁负荷
取值范围
Bδ（T）
0.7～1.0
A（A/cm）
800～1300
电机电磁负荷的取值时应遵循如下规定：
a) 原则上热分级高、冷却条件好、导磁材料性能好的电机可选取较高的A和Bδ；
b) 对于振动噪声要求高的电机应选取较低的Bδ；
c) 对于工作频率高的电机应选取较高的A和较低的Bδ；
d) 对经常处于轻载运行的电机，宜选取较高的A和较低的Bδ，以便获得较高的效率；
e) 为提高电机的转矩密度，宜在A、Bδ取值范围内选取较高的值。
在选定A和Bδ后，按式（1）即可初步确定电机的Di12l。在确定Di1、l时，应考虑如下因素：
T/CSNAME 089—2024
6
a) 根据吊柱的外形尺寸确定Di1的大致尺寸；
b) 根据T型吊舱推进器的结构型式，电机宜采用细长型，即选取较大的l和较小的Di1；
c) 应避开轴系临界转速；
d) 应考虑转动惯量要求。
7.2.1.2 气隙长度的确定
电机气隙长度δ的选取应注意：
a) 减少电机定子齿谐波在转子表面产生的附加损耗；
b) 电机转子挠度的影响；
c) 电机装配工艺的可行性。
在允许的情况下气隙长度值宜取的大一些。
7.2.2 极数、定子槽数
7.2.2.1 极数的确定
电机极数的选取应满足以下要求：：
a) 电机的运转频率不应低于变频器运行的最低频率，推荐电机运行的额定频率不小于15 Hz；
b) 由于电机为细长型结构，为了减小端部长度，宜选取较多的极数；
c) 电机容量越大选取的极数应越多。
7.2.2.2 定子槽数的确定
电机定子槽数的选择通常是通过每极每相槽数来确定的，在选择时可遵循如下要求：
d) 由于电机极数多，每极每相槽数取较小值，推荐取3；
e) 对于定子铁心外径在1.25 m以上的电机，其定子宜采用扇形片，在选择定子槽数时要确保每一扇形片上的槽数为3的偶数倍。
7.2.3 定子绕组
7.2.3.1 定子绕组并联路数的确定
定子绕组并联路与电机极对数的关系见式(3):
2?/?=整数 ·········································································· (2)
式中：
a ———定子绕组并联路数；
p ———电机极对数。
因电机电流大，定子绕组并联路数宜取较大值。
7.2.3.2 定子每槽导体数的确定
定子每槽导体数Ns值的计算见式（3）和（4）：
??=100???1???????/?1/??? ·························································· (3)
???=1000???⁄/?? ································································· (4)
式中：
? ———性能指标要求的效率；
???? ———性能指标要求的功率因数；
?1 ———定子槽数。
??? ———功电流，单位为安培（A）；
PN———额定功率，单位为千瓦（kW）；
m ———电机相数；
?? ———额定电压，单位为伏特（V）。
7.2.3.3 定子绕组跨距的确定
T/CSNAME 089—2024
7
对于4、6、8极电机，定子绕组跨距宜取值为5/6倍极距；对于10、12、14、16、18极电机，定子
绕组跨距宜取值为8/9倍极距。
7.2.3.4 导线截面积的确定
导线截面积?cu1的计算见式（5）：
?cu1 = ?1/??? ?1 ········································································ (5)
式中：
?1 ———电机相电流，单位为安培（A）；
?? ———定子绕组电磁线并绕根数。
J1 ———定子绕组电流密度，取值参照表2的推荐，单位为安培每平方毫米（A/mm2）。
表2 电机定子绕组电流密度取值范围
电机绝缘等级 J1（A/mm2）
F 3.5～4.5
H 4.5～5.5
7.2.4 定子槽形尺寸
7.2.4.1 电机绕组电磁线通常采用扁铜线，其槽形宜采用开口矩形槽，如图3 所示。
图3 矩形槽槽形图
7.2.4.2 定子槽宽bs 和定子槽高hs 的确定应注意：
a) 1/3 齿部高度处的平均磁密不大于1.8 T；
b) 轭部平均磁密不大于 1.5 T；
c) 齿部强度满足选用材料屈服强度的要求、轭部刚度满足结构设计要求。
7.2.5 电励磁转子磁极
7.2.5.1 极靴宽度bp 可以根据式（6）计算：
?? = ?? ∗ ?············································································ (6)
式中：
bp ———极靴高度，单位为米（m）；
αp ———极弧系数，取值范围为0.65～0.8，极距小时宜取较小值；
? ———极距，单位为米（m）。
bs
hs
T/CSNAME 089—2024
8
7.2.5.2
极靴高度的高度应保证其边缘磁密不至于过饱和。
7.2.5.3
极身宽度取决于极身磁密的值，极身磁密宜选取范围是1.1 T～1.5 T。
7.2.5.4
为了保证电机的气隙磁场尽量接近正弦，需要调节偏心距来获得不均匀气隙。
7.2.6 电励磁转子励磁绕组
7.2.6.1
电机励磁绕组宜采用扁铜线或裸铜排。
7.2.6.2
励磁绕组每极匝数Wf可以根据公式（7）计算：
??=???/??? ········································································· (7)
式中：
FfN ———额定负载励磁磁势，单位为安培（A）；
IfN ———额定励磁电流，单位为安培（A）。
FfN 可用保梯发求出。
IfN 初步选取的取值范围推荐为200 A～400 A，电机功率增大时，取值可以增大。
7.2.6.3
励磁绕组的电密值建议按表3中J1值的上限选取。
7.2.6.4
根据励磁绕组的电密、励磁绕组每极匝数和转子磁极的结构可以确定励磁绕组的长度，从而得到励磁绕组的电阻。
7.2.6.5
励磁绕组的额定励磁电压UfN的计算见式（8）：
???=1.05∗???∗?? ··································································· (8)
式中：
UfN ———励磁绕组的额定励磁电压，单位为福特（V）；
Rf ———励磁绕组电阻，单位为欧姆（V）。
7.2.7 永磁电机转子
电机转速低，可靠性要求高，推荐选用永磁体内置式转子。
内置式转子宜选内置弧形转子或内置V型转子，根据电磁计算参数选取转子的磁路结构、永磁体材料、永磁体尺寸。
7.2.8 电磁性能计算
根据7.2.1至7.2.7确定的电磁参数计算电机的额定电流、功率因数、效率、最大转矩倍数，相关指标需要满足4.4节中性能指标的要求。
7.2.9 永磁转子退磁计算
针对永磁电机转子，需要校核永磁体的最大退磁工作点，在各个运行工况下，永磁体的最大退磁工作点应高于所选永磁体材料在最高温度下退磁曲线的拐点，并留由一定的裕度。
7.3 结构设计
7.3.1 吊柱
7.3.1.1
吊柱设计应保证电机运行安全可靠，其固有频率应避开电机各主要激振频率±10 %。
7.3.1.2
吊柱材料一般采用钢材DH 36。
7.3.2 轴承
电机非螺旋桨侧的轴承应选用能承受轴向推力的轴承。由于转子受热轴向长度会增加，电机螺旋桨侧轴承应选用能承受一定轴向位移的轴承。
电机初步设计中确定轴承型式，根据电机运行工况，选择轴承规格，采用轴承分析软件计算轴承性能，结果应满足表3中的性能要求。
表
3 轴承计算参数对比表
轴承形式
性能计算项目
性能要求
滚动轴承
寿命
≥10万小时
T/CSNAME 089—2024
9
轴承形式
性能计算项目
性能要求
静载荷
满足选用轴承静载荷限值要求
动载荷
满足选用轴承动载荷限值要求
疲劳载荷
满足选用轴承疲劳载荷限值要求
极限转速
满足电机最大转速要求
滑动轴承
最小许用润滑油膜厚度
GB/T 21466.3-2008第3章
最大许用温度
GB/T 21466.3-2008第5章
润滑油需求油量
≤供油设备最大供油能力
支撑轴承的轴承支撑件，应与定子一同进行振动特性计算，其固有频率应避开电机各主要激振频率的±10 %，特别是低频机械振动频率。
7.3.3 旋转部件
7.3.3.1
电机旋转部件结构设计应根据转子动力学计算结果调整确定。转子动力学计算主要内容是力学性能分析计算和不平衡响应分析计算。
7.3.3.2
转子力学性能分析计算注意以下几点：
a) 转子为旋转对称结构，可根据其极数及轴向通风孔数，按最小对称集取一个旋转对称周期建模；
b) 在转子周向和轴向对称面处应施加对称边界条件，并约束轴向对称面上轴心的三向位移；
c) 转子上有离心力引起的载荷和温度载荷，离心力引起的载荷可直接在整模型上施加一角速度，温度载荷可设定参考温度和均一温度；
d) 由于铜和合金钢等均属于弹塑性材料，应采用第四强度理论计算。
7.3.3.3
转子不平衡响应分析计算主要包含转子临界转速和残余不平衡量下动力响应分析计算，计算应注意以下几点：
a) 对于采用滚动球轴承支撑的转子，可将其简化为简支梁；
b) 对于采用滑动球轴承支撑的转子，应根据所采用轴承的油膜刚度和阻尼设置轴承单元；
c) 转子各阶临界转速应避开工作转速和超速转速的±15 %。
7.3.4 整机模态分析
采用有限元软件对电机整机进行模态分析，需注意以下几点：
a) 电机定子铁心与吊柱为过盈配合，不存在相对位移运动；
b) 忽略定子以及吊柱上面孔、槽、凸台、倒角、圆角以及挂钩等的影响；
c) 将重力作为载荷施加到电机全部部件中；
d) 若定子绕组未建模，应将其重力等效施加到定子铁心上；
e) 对电机吊柱上端法兰固定，施加零位移约束，使其所有自由度为零，得到整机模态的低阶振型。
整机模态分析的共振频率应避开电机的转频，若不满足，应对电机结构设计进行改进，直到整机模态分析结果满足要求。
7.4 冷却系统设计
7.4.1 冷却系统风路
7.4.1.1
对于采用内部强迫风冷、吊柱外部海水冷的电机，其封闭式循环空气冷却风路设计如下：
a) 冷却空气从吊柱进风口进入电机的内部，流经定子绕组端部、定子槽口处空档及气隙和转子轴向通风孔，从吊柱上的出风口流出；
b) 从吊柱上出风口流出的热风通过空水冷却器冷却后，再从吊柱进风口进风，而构成了电机的封闭式循环空气冷却系统。
7.4.1.2
对于定子铁心与吊柱之间有通风间隙的冷却结构，主要通过冷却空气将热量带走，其封闭式循环空气冷却风路设计如下：
a) 推荐采用从电机的两端进风，中间出风的方式；
b) 冷却空气一路流经定子绕组端部，进入气隙，然后从定子径向通风道中流出，再从吊柱上的出风口流出；
T/CSNAME 089—2024
10
c)另一路冷却空气通过转子轴向通风孔，从转子轴中间径向通风孔中流出，再通过定子径向通风道，从吊柱上的出风口流出；
d)从吊柱上出风口流出的热风通过空水冷却器冷却后，再从吊柱进风口进风，而构成了电机的封闭式循环空气冷却系统。
7.4.2 流场和温度场分析
以流体力学及传热学为理论基础，采用有限体积分析法对电机的冷却结构进行数值仿真计算，计算流程如下：
a)采用网格剖分软件建立电机的求解域模型；
b)输入电机各个部件的材料属性、边界条件等参数，使用有限元软件对电机内的流体场和温度场进行迭代计算，完成流体场与温度场的分析求解；
c)对计算结果进行后处理，得到电机内部的流体场与温度场分布情况以及各部件的温升情况。
计算温升应小于设计依据中的温升要求限值，若不满足要求，需要对冷却风量或者通风结构进行调整，以确保温升设计满足要求。