譚 超，李宗燎，王家成

(三峽大學，宜昌 443002)

0 引 言

由于具有在高溫調(diào)節(jié)下能夠穩(wěn)定電能輸出和使用壽命較長等特點，渦輪發(fā)電機正成為隨鉆測井儀器的主要電源[1-2]。在石油鉆探方面，很多學者對渦輪發(fā)電機展開了研究，并獲得了一定的成果。文獻[3]對渦輪發(fā)電機的關(guān)鍵部件渦輪進行設(shè)計、建模和仿真，并根據(jù)結(jié)果得到了最佳的葉片數(shù)、葉片出口角度、中弧線圓弧半徑大小及葉片進口角度等參數(shù),使得設(shè)計的渦輪模型水力性能達到最好，極大地提高渦輪的輸出功率。文獻[4]提出了一種基于Halbach永磁體且采用磁耦合靜密封方式的渦輪發(fā)電機，通過對發(fā)電機的結(jié)構(gòu)場、共軛耦合場和電磁場的多物理場求解計算，得出了該結(jié)構(gòu)電機能夠有效提高發(fā)電機的功率密度。文獻[5]設(shè)計了一種自動補償式動密封的渦輪發(fā)電機，該電機同時運用磁耦合傳動結(jié)構(gòu)，并對其進行了建模與仿真分析，發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下，輸出相電壓可達到50 V左右，功率可高達千瓦。王智明、郭云等人研究了一種混合的勵磁模式渦輪發(fā)電機，剖析了高溫高壓對發(fā)電機運行的影響，經(jīng)過實驗驗證，混合勵磁構(gòu)造下發(fā)電機輸出功率不受高壓影響，但隨著溫度上升效率會降低[6]。

煤礦隨鉆測井與石油鉆井的井口口徑大小不同，并且煤礦鉆探過程中要考慮防爆等因素，因此用于石油鉆井的渦輪發(fā)電機不能直接用于煤礦之中。本文根據(jù)煤礦鉆井井口口徑，設(shè)計了一種渦輪葉片直徑70 mm、其他通徑小于55 mm的外轉(zhuǎn)子式新型渦輪發(fā)電機，該新型電機可以克服了傳統(tǒng)磁耦合發(fā)電機極易發(fā)生滑脫及柔性諧振的缺點。通過仿真模型分析及實物帶載試驗驗證，設(shè)計的發(fā)電機輸出波形諧波含量小且趨于正弦波，輸出功率可滿足供電要求。

1 渦輪發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)及分析

傳統(tǒng)渦輪發(fā)電機多采用磁耦合結(jié)構(gòu)模式，利用磁耦合結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)能量的無接觸傳遞，能夠有效保護發(fā)電機定轉(zhuǎn)子內(nèi)部，使其不受鉆井液的沖蝕。然而此類發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要極大的空間安裝隔離套及內(nèi)外磁體，當負載突然變化時極易出現(xiàn)柔性諧振和滑脫現(xiàn)象，可靠性較低[7-8]，這些缺點使得傳統(tǒng)發(fā)電機無法長遠地進行井下供電。

本文研究了一種定子密封形的外轉(zhuǎn)子新型渦輪發(fā)電機，圖1是井下渦輪發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)。渦輪發(fā)電機由渦輪葉片驅(qū)動器、發(fā)電機本體(外旋轉(zhuǎn)磁鐵結(jié)構(gòu)及內(nèi)定子線圈)及整流穩(wěn)壓器3個部分組成，發(fā)電機整體通過扶正器固定在鉆鋌內(nèi)部，該發(fā)電機采納外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模式，將外轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子直接連接，可以有效簡化結(jié)構(gòu)、減小發(fā)電機體積，不會發(fā)生滑脫現(xiàn)象，并且采用定子密封形式，可以避免鉆井液對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕。

圖1 渦輪發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)

在鉆井測量過程中，鉆井液(高壓清水)通過分流器導流后沖擊渦輪使發(fā)電機外殼轉(zhuǎn)動，同時帶動與渦輪外殼直接連接的12片轉(zhuǎn)子磁片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生可變磁場，12片轉(zhuǎn)子磁片通過機械槽限位結(jié)構(gòu)和外旋轉(zhuǎn)軸直接固連，定子繞組線圈固定在發(fā)電機內(nèi)不旋轉(zhuǎn)的軸上，在變化的磁場中定子線圈切割磁感線，產(chǎn)生電能，最后通過整流穩(wěn)壓處理輸出恒壓直流電。本文主要進行發(fā)電機部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計以及仿真實驗研究。

2 發(fā)電機設(shè)計及計算

發(fā)電機采用如圖2所示的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)發(fā)電機結(jié)構(gòu)不同，轉(zhuǎn)子磁片直接固定在發(fā)電機外殼上，隨渦輪一起轉(zhuǎn)動，內(nèi)部為定子線圈和鐵心，通過銅制的隔離套保護定子線圈免受磨損。這樣的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機相比，電機氣隙可以設(shè)計得更大，發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)動慣量也較高。

圖2 發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

采用9個呈Y形連接的三組三相線圈作為定子繞組，轉(zhuǎn)子中放入6對均勻排列的釹鐵硼強力瓦形磁鐵，當轉(zhuǎn)子隨著渦輪驅(qū)動器轉(zhuǎn)動時，磁鐵與定子線圈作切割磁感線運動，從而產(chǎn)生交流電。從流體力學來看，發(fā)電機輸出的電能與渦輪捕獲的能量有關(guān)，輸出功率隨著液體流速的增加而增加[9-10]，其關(guān)系如下：

(1)

式中：P為渦輪從流體中捕獲的功率；ρ為鉆井液密度；v為鉆井液的流速；KP為水動能轉(zhuǎn)換為渦輪機械能的效率，一般取0.4～0.6;r′為發(fā)電機半徑。

默認捕獲的能量全部轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的輸出功率，發(fā)電機的輸出功率也可以表示如下：

(2)

式中：E為額定輸出電壓;R為帶載電阻。

根據(jù)需要的發(fā)電機輸出電壓，可以確定發(fā)電機電子線圈匝數(shù)[11]:

(3)

式中：Φ1為氣隙合成磁通；N為定子線圈繞組每相匝數(shù)；KN為定子繞組系數(shù)，一般小于1。

發(fā)電機的電樞直徑為定子線圈直徑加轉(zhuǎn)子厚度和氣隙長度，表達如下 ：

D=2r′=2(r+hr+δ)(4)

式中：D為發(fā)電機電樞直徑；r為定子線圈半徑；hr為轉(zhuǎn)子磁鋼高度；δ為發(fā)電機氣隙大小。其中發(fā)電機氣隙不能太大或太小，δ太小，轉(zhuǎn)子容易掃定子膛；δ太大，漏磁增大，發(fā)電機效率降低，因此，氣隙應(yīng)控制合理數(shù)值，一般取δ=0.5～3 mm。

根據(jù)式(1)和式(4)，發(fā)電機直徑可以轉(zhuǎn)換如下式：

(5)

極對數(shù)與發(fā)電機轉(zhuǎn)速及頻率關(guān)系如下:

(6)

式中：p為發(fā)電機極對數(shù)；nh為發(fā)電機轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速。

本文設(shè)計的渦輪發(fā)電機額定功率為15 W，已知鉆井液流體額定流速為2 m/s，鉆井液密度ρ取水的密度1 000 kg/m3，由式(5)得到的渦輪發(fā)電機直徑為55 mm，在發(fā)電機外徑約束下，根據(jù)式(1)～式(6)，確定的其它參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機主要參數(shù)

3 發(fā)電機仿真分析

為了驗證設(shè)計的發(fā)電機是否達到設(shè)計要求，在COMSOL中建立如圖2所示的外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁鐵和內(nèi)定子繞組線圈結(jié)構(gòu)的發(fā)電機電磁仿真模型。定義如表1所示的發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置磁鐵剩余磁通密度為1 T，導線截面積設(shè)置為1×10-5m2，線圈匝數(shù)設(shè)置為22匝，定子線圈保持靜止，中心部分選用鐵心材料，磁化關(guān)系選用系統(tǒng)自帶的中碳鋼B-H曲線來實現(xiàn)，通過邊界條件設(shè)置發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)區(qū)域為外轉(zhuǎn)子磁片及外殼，并定義外旋轉(zhuǎn)磁片旋轉(zhuǎn)速度，內(nèi)部電子線圈固定不動。

對建立的模型進行瞬態(tài)分析，在0.17 s時對發(fā)電機模型的磁通密度分布進行繪制，其磁場密度分布圖如圖3(a)所示，發(fā)電機定子軛部最高磁通密度未達到定子鐵心材料的飽和值(鐵心材料采用DW310時，該值為1.2 T)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，其感應(yīng)電動勢如圖3(b)所示，其波形穩(wěn)定趨于正弦波，發(fā)電機在帶載35 Ω時輸出幅值為13.2 V，輸出功率可計算為14.9 W，證明設(shè)計的電機參數(shù)較為合理。

(a) 發(fā)電機磁通密度分布圖

(b) 2 000 r/min時發(fā)電機感應(yīng)電動勢

4 樣機試驗及結(jié)果分析

4.1 渦輪發(fā)電機樣機與測試平臺

根據(jù)上述渦輪葉片和發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析，制作了如圖4(a)所示的渦輪發(fā)電機樣機。發(fā)電機前端引流器設(shè)計成子彈頭式，使得水流能夠更大能力地沖擊渦輪葉片，尾部的整流穩(wěn)壓電路采用TPS5430 buck電路，發(fā)電機的輸出經(jīng)過穩(wěn)壓電路處理后穩(wěn)定輸出5 V直流電。圖4(b)為發(fā)電機內(nèi)置定子線圈，采用22匝9槽式結(jié)構(gòu)；圖4(c)為發(fā)電機內(nèi)置外轉(zhuǎn)子磁片，采用釹鐵硼12片強力瓦形磁片及套圈構(gòu)成外轉(zhuǎn)子。發(fā)電機所有尺寸參數(shù)都如表1所示。

(a) 發(fā)電機整體實物

(b) 發(fā)電機內(nèi)定子線圈

(c) 發(fā)電機外轉(zhuǎn)子磁片

為測試渦輪發(fā)電機能否滿足要求，在完成了渦輪發(fā)電機樣機后，搭建了渦輪發(fā)電機系統(tǒng)測量實驗平臺，實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。該平臺通過數(shù)控機床的電動機帶動渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)動，采用六位半數(shù)字萬用表Agilent 344001A測量發(fā)電機的輸出電壓以及經(jīng)過整流電路的電壓，渦輪發(fā)電機負載接入50 Ω可調(diào)節(jié)的滑動變阻器。

圖5 測試系統(tǒng)原理圖

4.2 輸出電壓及功率分析

從小到大調(diào)節(jié)數(shù)控機床電動機的轉(zhuǎn)速，采用隔離通道示波器測得帶載20 Ω、轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的輸出波形，如圖6所示，輸出波形趨于正弦波，且A，B，C三相對稱。采用示波器FFT功能對波形進行分析，測得的諧波分量如圖7所示。

圖6 發(fā)電機樣機輸出波形

圖7 輸出波形諧波幅度

通過諧波畸變率THD進行計算，THD越大，諧波含量越大，反之，THD越小，諧波成分越小。計算公式如下：

(7)

式中：Bk為k次諧波幅度值;B1為基波幅度值。

計算得到THD為10.23%，其值較小，說明輸出波形諧波含量小，輸出比較穩(wěn)定。采用六位半數(shù)字萬用表測量發(fā)電機空載、帶負載20 Ω以及通過整流穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如圖8所示。

圖8 發(fā)電機樣機測量曲線圖

經(jīng)過擬合計算得到空載及帶載20 Ω輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

y0=0.007n-0.089(8)

y1=0.005n-0.589(9)

式中：y0為空載輸出電壓；y1為帶載20 Ω輸出電壓。

通過Excel中的RSQ函數(shù)分析式(8)、式(9)擬合程度指標R2大于0.996，輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。在空載額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min下的輸出電壓為13.1 V與仿真的輸出電壓13.2 V大致相同，并且空載輸出電壓明顯強于帶負載后的輸出，這是因為發(fā)電機本身存在一定的電阻和電感，使得帶載輸出電壓要小于空載輸出電壓。發(fā)電機輸出經(jīng)過整流穩(wěn)壓處理，在轉(zhuǎn)速大于1 800 r/min時，輸出電壓保持5 V不變。在額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，測得帶載20 Ω的輸出電壓幅值為9.5 V，根據(jù)式(2)得到輸出功率為13.6 W，加上電機本身發(fā)熱消耗的功率，發(fā)電機輸出功率基本達到預(yù)期15 W輸出要求。

5 結(jié) 語

根據(jù)發(fā)電機的輸出功率外徑尺寸以及其它各個主要參數(shù)的約束關(guān)系，確定了新型外轉(zhuǎn)子發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)大小。為了判別設(shè)計的發(fā)電機能否滿足要求，采用COMSOL對發(fā)電機模型進行瞬態(tài)計算，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時輸出電壓可達到13.2 V。

按照上述參數(shù)設(shè)計制作渦輪發(fā)電機樣機，通過樣機實驗，得到發(fā)電機輸出波形趨于正弦波并且輸出穩(wěn)定，帶載20 Ω時額定轉(zhuǎn)速下的實際輸出電壓為9.5 V，輸出功率為13.5 W，考慮發(fā)電機實際發(fā)熱消耗部分功率，其輸出功率基本達到預(yù)先設(shè)計要求。該分析過程和設(shè)計結(jié)果可以為后續(xù)煤礦井下渦輪發(fā)電機產(chǎn)品研發(fā)提供參考。