張國輝，謝 衛(wèi)，張如雪

(上海海事大學(xué)，上海 200042)

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基于Ansoft的海流發(fā)電機(jī)設(shè)計與分析

張國輝，謝 衛(wèi)，張如雪

(上海海事大學(xué)，上海 200042)

以直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)為研究對象，針對發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，并用Ansoft軟件中的RMxprt模塊和Maxwell2D進(jìn)行電機(jī)建模和電磁分析。重點(diǎn)討論了直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)，突出了海流發(fā)電機(jī)在設(shè)計和分析時的特殊性，為其他形式的海流發(fā)電機(jī)提供理論依據(jù)。

直驅(qū)式；海流發(fā)電機(jī)；永磁體；有限元分析

1 海流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與原理

1.1 海流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

海流發(fā)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子、永磁體、導(dǎo)流罩等部件組成。為了減少渦流損耗，電樞鐵心采用疊壓片結(jié)構(gòu)。采用發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)直接耦合的直驅(qū)形式，減小了海流發(fā)電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的損耗，對提高系統(tǒng)效率和運(yùn)行可靠性具有重要的意義。[1]

1.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)與普通電機(jī)的差別主要在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)上，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)靈活多樣，可適應(yīng)不同技術(shù)要求的需要。本文采用徑向式磁路結(jié)構(gòu)。

1.1.2 永磁體結(jié)構(gòu)

為減小電機(jī)的體積，獲取高功率密度，必須有足夠大的氣隙磁密，所采用的永磁材料應(yīng)具有足夠大的剩余磁密和矯頑力。本文的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)為徑向，永磁體徑向布置是永磁體磁極的串聯(lián)磁路。它的特點(diǎn)是：永磁體磁極直接面對氣隙，磁極易于制成聚磁形狀，磁通損失小，氣隙磁通集中且分布均勻。磁極串聯(lián)后的磁感應(yīng)強(qiáng)度比單個永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度高5%～10%，并且永磁體的勵磁方向與氣隙磁通軸線一致，漏磁系數(shù)比切向式結(jié)構(gòu)小，制造工藝簡單，成本低，適用與多級大、中功率電機(jī)。

2 海流發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計

2.1 海流發(fā)電機(jī)的基本設(shè)計要求

2.1.1 設(shè)計特點(diǎn)

由電機(jī)設(shè)計理論可知，在功率一定的情況下，電機(jī)的體積與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越低，體積越大。與帶齒輪增速機(jī)構(gòu)的發(fā)電機(jī)相比，直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，體積大，成本高。直驅(qū)式低速海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計具有以下特點(diǎn)：

1) 采用高性能的永磁材料。

2) 采用徑向式多極磁路結(jié)構(gòu)。

3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮散熱與防腐蝕。

2.1.2 海流發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

電機(jī)設(shè)計時都應(yīng)滿足設(shè)計任務(wù)書所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)上海海事大學(xué)海流發(fā)電實(shí)驗(yàn)室的具體情況，永磁同步低速海流發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 額定功率PN：230 W(輸入)

2) 額定轉(zhuǎn)矩：11 N·m(輸入)

3) 相數(shù)m：3

4) 額定電壓UN：36.8 V(相電壓，Y接法)

5) 額定電流IN：2.1 A(相電流)

6) 額定轉(zhuǎn)速nN：200 r/min

7) 額定頻率fN：26 Hz

8) 額定功率因數(shù)cosΦN：0.90

9) 額定效率ηN：90%

2.2 基本參數(shù)的確定

海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計理論處于初步研究階段，至今沒有一套完整的公式和經(jīng)驗(yàn)曲線作為依據(jù)。交流電機(jī)經(jīng)過幾十年的研究，其標(biāo)準(zhǔn)體系已初步完成，因此可借鑒交流電機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。對于不同容量和轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已積累了大量的設(shè)計和制造經(jīng)驗(yàn)，參考文獻(xiàn)也很多，這些都是很好的借鑒。

2.2.1 主要尺寸的選擇

2) 每極每相槽數(shù)q=3

3) 確定定子槽數(shù)z=2pqm=2×8×3×3=144

4) 初選定子齒寬t1=1.5mm

5) 初步確定定子齒距t=t1+b1

b1=(0.55～0.65)t

取b1=0.6t,t=t1+0.6t

則t=3.7mm

6) 確定定子內(nèi)徑Dil

7) 初選定子外徑D1

根據(jù)我國交流電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)外徑，查表初選機(jī)座號4號的定子外徑[2]

D1=210mm

定子槽深和定子軛高之和

8) 計算永磁體的電流IN

9) 初選氣隙δ=1mm

10) 計算轉(zhuǎn)子外徑D2=Dil-2δ=168mm

11) 計算永磁體的極距

12) 初步確定轉(zhuǎn)子、定子的鐵心有效長度Lef

Lef=λτ，取λ=2

則Lef=λτ=2×33=66mm

注：在設(shè)計分析時鐵心長度長能提高材料利用率，最后取Lef=270mm

13) 永磁材料

NDeF35(燒結(jié)釹鐵硼)

20 ℃時永磁材料性能：

剩余磁密Br=1.1T

矯頑力Hc=838kA/m

相對回復(fù)磁導(dǎo)率μr=1.01

永磁體尺寸：

確定永磁體am=18 mm，bm=22 mm

14) 計算永磁體的氣隙磁密Bδm

Bδm=0.5T

式中：Km為永磁體端面系數(shù)，取0.67；Br為永磁體的剩磁，為1.1T；am為永磁體矩形面的短邊長；bm為永磁體矩形面的短邊寬；δ為氣隙長度；σ為漏磁系數(shù)，取σ=1。

Φ=0.45×0.637×0.033×0.27wb=0.002 55wb

式中：氣隙磁密分布曲線為正弦分布時，

16) 求永磁發(fā)電機(jī)的基波繞組系數(shù)Kdp

式中：α為用電角度表示的槽距角

則Kdp=Kd·Kp=0.96

17) 求每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)

相電壓E=36.8 V

E=4.44KNmfNKdpΦ

式中：KNm為氣隙磁場波形系數(shù)。波形為正弦波時，KNm=1.11

串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)N

18) 求每槽導(dǎo)體數(shù)Ns

式中：并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)a=4

19) 初選導(dǎo)體漆包線

初選電流密度ja=4A/mm2

永磁電機(jī)電流IN=2.3A

選取直徑0.15mm的9號導(dǎo)線，則截面積

20) 由經(jīng)驗(yàn)取電機(jī)的機(jī)械損耗和風(fēng)磨損耗均為2 W，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為140 mm。

2.3 RMxprt設(shè)計

由上面計算出來的基本參數(shù)，在RMxprt中進(jìn)行電機(jī)的設(shè)計，運(yùn)用RMxprt的運(yùn)算功能分析設(shè)計是否合理，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[3]。在RMxprt中創(chuàng)建的低速海流發(fā)電機(jī)的樣機(jī)模型如圖1所示。

圖1 RMxprt中的樣機(jī)模型

仿真后與前述的主要技術(shù)指標(biāo)相關(guān)的計算結(jié)果如下所示：

1) 輸入功率P1：232.8 W

輸出功率P2：213.1 W

2) 輸入轉(zhuǎn)矩T1：11.1 N·m

3) 相數(shù)m：3

4) 相電壓UΦ：37.6 V

線電壓UL： 64.6 V

5) 相電流IΦ：2.12 A

線電流IL： 2.12 A

6) 轉(zhuǎn)速n1：200 r/min

7) 頻率f1：26.67 Hz

8) 功率因數(shù)cosΦ：0.892

9) 效率η：91.5%

由以上數(shù)據(jù)可知，設(shè)計結(jié)果基本滿足主要技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)計值與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)值是一致的。

另外，通過RMxprt模塊還可以直接得到電機(jī)的一組性能曲線，如圖2所示。

圖2a為齒槽轉(zhuǎn)矩波形，由圖可知其齒槽轉(zhuǎn)矩最大值為2 N·m，與額定轉(zhuǎn)矩相比較小，這樣就減小了穩(wěn)定運(yùn)行時海流發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，同時也解決了在海水流速較低時海流發(fā)電機(jī)難以正常起動的難題。

圖2 基于RMxprt的電機(jī)性能曲線

3 直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)的有限元分析

海流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部磁場分布非常復(fù)雜，采用RMxprt等效磁路法分析的計算精度有待提高。為了提高計算的精確度，一般采用有限元分析軟件直接進(jìn)行電磁場數(shù)值計算和分析。本章采用Ansoft仿真軟件來完成低速海流發(fā)電機(jī)的有限元分析。

3.1 仿真模型

鑒于仿真的精度要求，在對電機(jī)建立仿真模型時，其模型的規(guī)格要與實(shí)際的電機(jī)規(guī)格相同。本項(xiàng)目所研究的直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)是多極低速，結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜，但沿軸向是對稱的，為了縮短仿真時間，可在電機(jī)的一個極距范圍內(nèi)建立仿真模型，本文對電機(jī)的十六分之一周期進(jìn)行仿真，建立的仿真模型如圖3所示。

圖3 海流發(fā)電機(jī)有限元仿真模型

3.2 磁場仿真分析

海流發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時，通過仿真軟件的后處理功能可以清晰地看到電機(jī)內(nèi)部磁場的分布和磁密大小以及網(wǎng)格剖分圖，再利用Maxwell 2D仿真模塊的后處理功能，對輸出電壓、輸出電流進(jìn)行諧波分析，以及齒槽轉(zhuǎn)矩的分析，以驗(yàn)證電磁設(shè)計方案是否合理。

圖4和圖5分別給出了額定轉(zhuǎn)速時空載磁力線分布和磁密分布。由圖5可見，空載時電機(jī)主要部分的磁密與設(shè)計清單中所列的電磁設(shè)計結(jié)果是基本一致的，即定子齒部磁密1.70 T，定子軛部磁密1.66 T，轉(zhuǎn)子軛部磁密1.64 T，氣隙磁密(最大值)1.05 T，永磁體磁密1.10 T。圖6和圖7分別給出了額定負(fù)載時的線電流和額定轉(zhuǎn)速時的感應(yīng)電動勢波形，可以看出波形中都有諧波，但含量不大[4]。

圖4 額定轉(zhuǎn)速時空載磁力線分布

圖5 額定轉(zhuǎn)速時空載磁密分布

圖6 額定負(fù)載時的線電流波形

圖7 額定轉(zhuǎn)速時的感應(yīng)電動勢

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)論述了海流發(fā)電機(jī)的電磁特性，在此基礎(chǔ)上完成海流發(fā)電機(jī)初始的電磁設(shè)計方案，并推導(dǎo)了主要電磁參數(shù)的計算公式，完成了低速海流發(fā)電機(jī)電磁方案的初步設(shè)計，運(yùn)用Ansoft軟件的Maxwell 2D模塊對海流發(fā)電機(jī)進(jìn)行基于磁場模型的仿真分析，通過建立磁場仿真模型，分別對海流發(fā)電機(jī)空載、額定負(fù)載下的特性進(jìn)行了分析，其結(jié)果與電磁設(shè)計基本吻合。對其電磁裝置的設(shè)計方法提出了一些有借鑒意義的結(jié)論和思路。

[1]Yuen K, Thomas K, Grabbe M, et al. Matching a Permanent Magnet Synchronous Generator to a Fixed Pitch Vertical Axis Turbine for Marine Current Energy Conversion[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2009,34(1):24-31.

[2]蘇紹禹，高紅霞.永磁發(fā)電機(jī)機(jī)理、設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4]王棋，謝衛(wèi)，裴中坤.海流發(fā)電機(jī)設(shè)計與仿真研究[J]，電機(jī)技術(shù)，2013(2)：31-35.

征稿啟事

《上海大中型電機(jī)》是由上海電氣集團(tuán)主管，上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司主辦的一份專業(yè)科技期刊。期刊創(chuàng)刊于1958年，作為企業(yè)科技人員發(fā)布科研成果和發(fā)表論文的主要陣地，是推動企業(yè)科技進(jìn)步的重要手段和平臺，同時也是學(xué)習(xí)交流的窗口。

《上海大中型電機(jī)》反映國內(nèi)同行業(yè)間在科研和生產(chǎn)上取得的進(jìn)展和成果，設(shè)有“設(shè)計與研究”、“工藝與裝備”、“絕緣技術(shù)”、“試驗(yàn)與檢測”、“運(yùn)行與維修”等欄目，以報導(dǎo)國內(nèi)大中型電機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)成果、技術(shù)發(fā)展為主，也介紹相關(guān)產(chǎn)品制造運(yùn)行、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以及有關(guān)的學(xué)術(shù)論文、技術(shù)綜述及技術(shù)動態(tài)報導(dǎo)。歡迎各界踴躍投稿。

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