王 棋，謝 衛(wèi)，譚 程，裴中坤

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

0 引言

海流發(fā)電機(jī)是將海流流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置[1]。由于其轉(zhuǎn)速較低和極數(shù)較多，因此海流發(fā)電機(jī)的幾何尺寸遠(yuǎn)大于同功率的傳統(tǒng)電機(jī)，成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。海流發(fā)電機(jī)是海流發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)電設(shè)備，可直接與渦輪機(jī)耦合，省去笨重的齒輪箱，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，受到越來越多的關(guān)注[2－3]。

海流發(fā)電機(jī)主要特點(diǎn)有2個(gè):

1)海流發(fā)電機(jī)要安置在海平面以下，海水貫穿于渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙之間，形成“水氣隙”并通過“水氣隙”傳遞能量;

2)海流發(fā)電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)式密封，即轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)直接與海水接觸，為轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)葉片提供了一個(gè)很好的散熱路徑[4－5]。

這些特點(diǎn)決定了海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)有所不同?；趥鹘y(tǒng)的磁路分析方法難以滿足海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。利用場路耦合有限元分析法可以準(zhǔn)確地分析電機(jī)內(nèi)部的電磁場，而且有限元分析法也被越來越廣泛地應(yīng)用到電機(jī)設(shè)計(jì)和分析當(dāng)中[6－7]。

以150 r/min 2.5 kW的海流發(fā)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立海流發(fā)電機(jī)磁路模型，分析海流發(fā)電機(jī)的空載和負(fù)載特性，計(jì)算了電機(jī)的電磁損耗，最后對海流發(fā)電機(jī)建立熱路模型。

1 海流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

海流發(fā)電機(jī)屬于高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)，其極數(shù)較多。采用24極結(jié)構(gòu)，以保證轉(zhuǎn)子的機(jī)械和電磁性能的對稱性。采用24極結(jié)構(gòu)，可計(jì)算出海流發(fā)電機(jī)的額定頻率為30 Hz，有利于減小海流發(fā)電機(jī)的鐵耗和銅耗。因此從電磁方面和機(jī)械裝配方面綜合考慮選取24極比較有利。

海流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路采用徑向式結(jié)構(gòu)。在徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體磁化方向與“水氣隙”磁通軸線一致，離“水氣隙”較近，漏磁較小，有利于提高“水氣隙”磁密。永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼，是類似于粉末冶金的永磁材料，其剩余磁密和磁感應(yīng)矯頑力較高，因而抗去磁能力較強(qiáng)[8]。

由于海水貫穿于間隙、轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)之間，應(yīng)在永磁體和轉(zhuǎn)子表層涂抹玻璃纖維或環(huán)氧涂料，以防止由于海水腐蝕而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變形[9]。而且在海流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)導(dǎo)流罩裝置，可以提高渦輪機(jī)捕捉效率，而且還可以減弱震動(dòng)和氣穴現(xiàn)象。

1.2 定子結(jié)構(gòu)

海流發(fā)電機(jī)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即渦輪機(jī)和轉(zhuǎn)子鑲嵌在定子內(nèi)部。這樣將產(chǎn)生很大的電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是海流發(fā)電機(jī)最具有代表性的電磁參數(shù)。當(dāng)定子繞組產(chǎn)生正弦或近似正弦電流時(shí)，其計(jì)算公式為:

式中:kdq為繞組系數(shù);kNm為“水氣隙”磁場波形系數(shù);Bδ為“水氣隙”磁密;αp為極弧系數(shù);A為電樞繞組線負(fù)荷;Di1為電樞內(nèi)徑;Lef為電樞鐵心有效長度;φ為內(nèi)功率因數(shù)角。

由公式(1)可知，kdq、kNm、αp只在很小的范圍內(nèi)變化。因此參照大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，初步估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te以及電磁負(fù)荷Bδ、A，進(jìn)而確定電樞內(nèi)徑Di1和電樞鐵心有效長度Lef。其中為了減小海流發(fā)電機(jī)的有效體積，內(nèi)功率因數(shù)角φ可以規(guī)定為 0°。

由于海流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，定子外徑也不能太大，定子槽數(shù)有限，需要采用適當(dāng)?shù)臉O數(shù)和槽數(shù)配合。初取定子槽數(shù) Qi為90，則每極每相槽數(shù)1.25，為分?jǐn)?shù)槽繞組接法。這樣既可減少定子外徑尺寸，縮小海流發(fā)電機(jī)的體積，又能削弱由非正弦分布磁場所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的諧波分量和齒諧波電動(dòng)勢。本文設(shè)計(jì)的海流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 海流發(fā)電機(jī)的磁路分析

2.1 磁通路徑的劃分

利用磁阻模型分析海流發(fā)電機(jī)的等效磁路網(wǎng)絡(luò)，必須先確定磁通的所有路徑，并求出這些路徑的等效磁阻。最后根據(jù)電路類比法，可以很好地解決各段磁路磁阻的計(jì)算問題。

海流發(fā)電機(jī)的磁通分為主磁通φδ和漏磁通φσ。主磁通路徑與傳統(tǒng)電機(jī)相同，本文不做詳細(xì)論述。漏磁通由三部分組成:1)永磁體磁極頂部之間的漏磁通φmm1;2)永磁體磁極側(cè)面之間的漏磁通φmm2;3)永磁體磁極側(cè)面出發(fā)，回到轉(zhuǎn)子鐵心的漏磁通φmm3。在一個(gè)極距范圍內(nèi)主磁通和漏磁通的路徑如圖2所示。

圖2 海流發(fā)電機(jī)磁通路徑

2.2 漏磁導(dǎo)的計(jì)算以及磁路等效模型的建立

在公式的推導(dǎo)過程中本文做以下假設(shè):

1)忽略轉(zhuǎn)子鐵心及渦輪機(jī)的磁阻;

2)定子內(nèi)圓表面光滑;

3)磁力線簡化為直線或圓弧線;

4)永磁體的相對磁導(dǎo)率為。則永磁體頂部漏磁導(dǎo)為

永磁體磁極間漏磁導(dǎo)的計(jì)算公式為:

永磁體磁極與轉(zhuǎn)子鐵心之間的漏磁導(dǎo)的計(jì)算公式為:

式中:δ為“水氣隙”長度，μs為海水磁導(dǎo)率，Lm為永磁體軸向長度，hm為永磁體徑向長度，L2為漏磁通在“水氣隙”中的積分圓弧長度，θ為永磁體磁極間隔所對應(yīng)的圓心角度，r為轉(zhuǎn)子鐵心厚度。

海流發(fā)電機(jī)的等效磁路模型如圖3所示，圖中SL為漏磁導(dǎo)并聯(lián)之和。

圖3 海流發(fā)電機(jī)等效磁路模型

3 海流發(fā)電機(jī)空載與負(fù)載特性

基于場路耦合有限元分析方法，分析和計(jì)算了海流發(fā)電機(jī)的空載和負(fù)載特性。當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速150 r/min的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其定子三相繞組空載電勢波形如圖4所示。

圖4 三相繞組空載電勢

圖5 三相繞組負(fù)載電流

當(dāng)相負(fù)載電阻為時(shí)5.06221 Ω，定子繞組的負(fù)載電流波形如圖5所示。由于負(fù)載電流電樞反應(yīng)磁場的去磁作用以及定子開槽作用，使電機(jī)負(fù)載時(shí)“水氣隙”磁密波形比空載時(shí)發(fā)生畸變，如圖6所示。海流發(fā)電機(jī)在150 r/min負(fù)載運(yùn)行下，其電磁轉(zhuǎn)矩如圖7所示，相應(yīng)的電磁功率約為2.7 kW。

圖6 海流發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)“水氣隙”磁密

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩波形

4 損耗計(jì)算

4.1 定子鐵耗

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)理論，定子鐵耗的估算公式為:

式中:PFe0為當(dāng)Bmax=Bmax0及f=f0時(shí)，鋼單位重量內(nèi)的損耗。負(fù)載運(yùn)行到某一時(shí)刻時(shí)，海流發(fā)電機(jī)內(nèi)的等磁位線分布如圖8所示，采用場路耦合有限元分析法計(jì)算負(fù)載運(yùn)行時(shí)海流發(fā)電機(jī)定子鐵心各部分的磁通密度和損耗，然后相加求的定子鐵耗，約為94.0 W，如圖9所示。

圖8 海流發(fā)電機(jī)等磁力線分布

圖9 海流發(fā)電機(jī)鐵損耗波形

4.2 定子繞組銅耗

海流發(fā)電機(jī)定子繞組銅損耗的估算公式為:

式中:Ia為發(fā)電機(jī)定子繞組A相電流，Ra為A相繞組阻值，已包含端部繞組阻值。定子相繞組的計(jì)算阻值為0.23 Ω，額定線電流在12.93 A時(shí)定子繞組的銅耗為115.3 W。由于海水流速比較低，其平均值在2 m/s，因此海流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與海水之間的摩損耗，我們可以忽略不計(jì)。

5 海流發(fā)電機(jī)的熱路模型

5.1 海流發(fā)電機(jī)的熱量傳遞路徑

海流發(fā)電機(jī)的散熱方式有兩種:一種是銅損與鐵損之間的熱量傳導(dǎo)，另一種是存在于定子外表面、內(nèi)表面以及海水之間的對流散熱。對于轉(zhuǎn)子的散熱情況，本文忽略不計(jì)。因?yàn)楹Ａ靼l(fā)電機(jī)在海平面以下工作，由于采取旋轉(zhuǎn)式密封，使海水貫穿于定、轉(zhuǎn)子之間的間隙以及渦輪機(jī)中，海水與轉(zhuǎn)子直接接觸，為轉(zhuǎn)子提供了一個(gè)良好的散熱路徑。

5.2 海流發(fā)電機(jī)的熱路模型

基于熱傳導(dǎo)定律的知識，本文對海流發(fā)電機(jī)單位體積建立熱路等值模型，如圖10所示。

圖10中R1為繞組與絕緣防腐材料之間的熱阻，R2為定子鐵心與絕緣防腐材料之間熱阻，R3為繞組與鐵心之間的熱阻，R4為定子鐵心與導(dǎo)流罩之間熱阻。運(yùn)用電路理論的知識計(jì)算出海流發(fā)電機(jī)銅損和鐵損的溫升為

圖10 海流發(fā)電機(jī)熱路等值模型

式中:RFe為R2、R4的合成熱阻。

對流散熱是指固體表面與流體直接接觸的情況之下，當(dāng)海流發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，其定子表面與海水直接接觸。當(dāng)定子表面與海水溫度不相等時(shí)，熱量直接由高溫物體傳向低溫物體。其對流散熱的熱阻模型為:

式中:S為定子鐵心與海水的接觸面積，h為對流散熱系數(shù)。

6 海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果

運(yùn)用上述的分析方法以及參照交流電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文確定了粗略的設(shè)計(jì)方案。基本參數(shù)如表1所示。電氣參數(shù)如表2所示。

表1 海流發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

表2 海流發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)

從表2中可以看出較大的相序阻抗對電機(jī)的性能的影響。本文設(shè)計(jì)的海流發(fā)電機(jī)的相序阻抗值較大，導(dǎo)致海流發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)偏低，在0.75左右。因此在進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，要選擇容量較大的逆變器。

7 結(jié)語

1)提出了一種可滿足海流能環(huán)境和電磁性能要求且加工工藝簡單的海流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。為了使永磁體避免因海水腐蝕而產(chǎn)生不可逆的去磁現(xiàn)象，采用在其表層涂抹玻璃纖維或環(huán)氧材料，而且要在加工裝配之后在整體充磁的方法。

2)采用旋轉(zhuǎn)式密封結(jié)構(gòu)，解決了海流發(fā)電機(jī)的密封難題，定、轉(zhuǎn)子間隙之間采用“水氣隙”傳遞能量，提高能量利用效率，并且為轉(zhuǎn)子和定子提供了良好的熱傳遞路徑。

3)運(yùn)用場路耦合有限元分析方法，計(jì)算海流發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的損耗和磁場分布，海流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)電效率可達(dá)到90%。

4)海流發(fā)電機(jī)的損耗和溫升的準(zhǔn)確計(jì)算難度較大，其計(jì)算精度有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該項(xiàng)工作正在進(jìn)行當(dāng)中。

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