張國輝，謝 衛(wèi)，張如雪

(上海海事大學，上海 200042)

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基于Ansoft的海流發(fā)電機設計與分析

張國輝，謝 衛(wèi)，張如雪

(上海海事大學，上海 200042)

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

直驅(qū)式；海流發(fā)電機；永磁體；有限元分析

1 海流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)與原理

1.1 海流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)

海流發(fā)電機主要由轉(zhuǎn)子、定子、永磁體、導流罩等部件組成。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)電機與渦輪機直接耦合的直驅(qū)形式，減小了海流發(fā)電機在能量轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的損耗，對提高系統(tǒng)效率和運行可靠性具有重要的意義。[1]

1.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁同步電機與普通電機的差別主要在轉(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)后的磁感應強度比單個永磁體的磁感應強度高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。

2 海流發(fā)電機的電磁設計

2.1 海流發(fā)電機的基本設計要求

2.1.1 設計特點

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

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)設計時需考慮散熱與防腐蝕。

2.1.2 海流發(fā)電機的主要技術(shù)指標

電機設計時都應滿足設計任務書所規(guī)定的各項技術(shù)指標。根據(jù)上海海事大學海流發(fā)電實驗室的具體情況，永磁同步低速海流發(fā)電機的主要技術(shù)指標如下：

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)電機的設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)驗曲線作為依據(jù)。交流電機經(jīng)過幾十年的研究，其標準體系已初步完成，因此可借鑒交流電機的設計經(jīng)驗。對于不同容量和轉(zhuǎn)速的風力發(fā)電機，已積累了大量的設計和制造經(jīng)驗，參考文獻也很多，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)我國交流電機標準外徑，查表初選機座號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

相對回復磁導率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)導體數(shù)N

18) 求每槽導體數(shù)Ns

式中：并聯(lián)導體數(shù)a=4

19) 初選導體漆包線

初選電流密度ja=4A/mm2

永磁電機電流IN=2.3A

選取直徑0.15mm的9號導線，則截面積

20) 由經(jīng)驗取電機的機械損耗和風磨損耗均為2 W，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為140 mm。

2.3 RMxprt設計

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

圖1 RMxprt中的樣機模型

仿真后與前述的主要技術(shù)指標相關(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，設計結(jié)果基本滿足主要技術(shù)指標的要求，設計值與樣機實驗值是一致的。

另外，通過RMxprt模塊還可以直接得到電機的一組性能曲線，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)定運行時海流發(fā)電系統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)矩脈動，同時也解決了在海水流速較低時海流發(fā)電機難以正常起動的難題。

圖2 基于RMxprt的電機性能曲線

3 直驅(qū)式海流發(fā)電機的有限元分析

海流發(fā)電機的內(nèi)部磁場分布非常復雜，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，在對電機建立仿真模型時，其模型的規(guī)格要與實際的電機規(guī)格相同。本項目所研究的直驅(qū)式海流發(fā)電機是多極低速，結(jié)構(gòu)尺寸復雜，但沿軸向是對稱的，為了縮短仿真時間，可在電機的一個極距范圍內(nèi)建立仿真模型，本文對電機的十六分之一周期進行仿真，建立的仿真模型如圖3所示。

圖3 海流發(fā)電機有限元仿真模型

3.2 磁場仿真分析

海流發(fā)電機空載運行時，通過仿真軟件的后處理功能可以清晰地看到電機內(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、輸出電流進行諧波分析，以及齒槽轉(zhuǎn)矩的分析，以驗證電磁設計方案是否合理。

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，空載時電機主要部分的磁密與設計清單中所列的電磁設計結(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分別給出了額定負載時的線電流和額定轉(zhuǎn)速時的感應電動勢波形，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 額定負載時的線電流波形

圖7 額定轉(zhuǎn)速時的感應電動勢

4 結(jié)語

本文重點論述了海流發(fā)電機的電磁特性，在此基礎(chǔ)上完成海流發(fā)電機初始的電磁設計方案，并推導了主要電磁參數(shù)的計算公式，完成了低速海流發(fā)電機電磁方案的初步設計，運用Ansoft軟件的Maxwell 2D模塊對海流發(fā)電機進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)電機空載、額定負載下的特性進行了分析，其結(jié)果與電磁設計基本吻合。對其電磁裝置的設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)電機機理、設計及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

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

征稿啟事

《上海大中型電機》是由上海電氣集團主管，上海電氣集團上海電機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)科技進步的重要手段和平臺，同時也是學習交流的窗口。

《上海大中型電機》反映國內(nèi)同行業(yè)間在科研和生產(chǎn)上取得的進展和成果，設有“設計與研究”、“工藝與裝備”、“絕緣技術(shù)”、“試驗與檢測”、“運行與維修”等欄目，以報導國內(nèi)大中型電機及相關(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)品制造運行、維護經(jīng)驗，以及有關(guān)的學術(shù)論文、技術(shù)綜述及技術(shù)動態(tài)報導。歡迎各界踴躍投稿。

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