王 凱，張 麗，李 明，江 峰

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070；2.湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430070)

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口數(shù)量的增長(zhǎng)，人類(lèi)生存產(chǎn)生的溫室氣體的排放量也隨之不斷增加，天然氣跟傳統(tǒng)能源煤炭相比，具有熱值較高、污染較低等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。其燃燒產(chǎn)生的能量是煤炭燃燒能量的約1.5倍，因此天然氣的開(kāi)采和使用已經(jīng)成為當(dāng)今各國(guó)必不可少的選擇[2]。

天然氣資源分布往往并不均衡，因此天然氣的貿(mào)易和輸送成為了燃?xì)忾_(kāi)采地和燃?xì)庥脩?hù)之間的連接橋梁，目前天然氣的運(yùn)輸方式一般有液化輸送和管道輸送。燃?xì)夤艿垒斔头绞绞抢眠B接油氣井和用戶(hù)之間的管網(wǎng)把未經(jīng)液化氣體狀態(tài)的燃?xì)膺M(jìn)行運(yùn)輸?shù)妮斔头绞?；液化輸送一般是把?jīng)過(guò)降溫、壓縮、液化三步驟后的液化狀態(tài)的天然氣利用公路、鐵路、海運(yùn)或者管道運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行運(yùn)輸?shù)妮斔头绞?。由于天然氣液化條件困難、工藝設(shè)備復(fù)雜、技術(shù)要求嚴(yán)格和投資費(fèi)用較高等缺點(diǎn)，液化輸氣方法用處較少[3]。管道輸送具有輸送量大、輸送穩(wěn)定、用戶(hù)范圍大、輸氣地區(qū)廣和輸氣連續(xù)不斷等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前天然氣主要的運(yùn)輸方式。

燃?xì)廨斔透删€一般是以天然氣處理廠或輸氣干線首站為起點(diǎn)，城鎮(zhèn)配氣或工礦企業(yè)一線站為終點(diǎn)的輸送管線。一條完整的輸氣干線上包括數(shù)量不同、作用不同的站場(chǎng)，如增壓站、防腐站、清管站和輸氣站等。對(duì)管線中的氣體進(jìn)行測(cè)量調(diào)壓，需要在干線設(shè)置氣體計(jì)量裝置，必要時(shí)還要設(shè)置氣體質(zhì)量檢測(cè)儀表，保證對(duì)管道內(nèi)氣體狀態(tài)的實(shí)時(shí)把控管理，并做好管道泄漏預(yù)防[4]。

天然氣輸送管網(wǎng)跨越地區(qū)范圍大，沿線管道輸氣站設(shè)置有的監(jiān)測(cè)裝置目前一般采用電池或者接線供電，充電電池往往工作時(shí)間短，更換頻率高，因?yàn)槿細(xì)夤艿啦糠址植荚谝巴饣蛉僳E罕至的地區(qū)，造成電池供電的方法成本較高，甚至無(wú)法對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行接線供電。

為了解決天然氣管網(wǎng)沿線檢測(cè)裝置的供電問(wèn)題，在保證不會(huì)對(duì)管道內(nèi)輸送氣壓造成過(guò)大損失的前提下，提出一種管網(wǎng)內(nèi)置軸流式小型管道發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)下位機(jī)的額定工作參數(shù)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，經(jīng)數(shù)值仿真和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足要求。

1 輸送管道小型發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

天然氣管網(wǎng)沿線檢測(cè)儀供電的小型管道水流發(fā)電裝置如圖1所示，該發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)子葉輪、發(fā)電機(jī)定子鐵芯、發(fā)電機(jī)定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體、滾動(dòng)軸承、轉(zhuǎn)軸、軸承卡簧、電機(jī)定子殼體、堵頭和電機(jī)底座支架。其中電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體在葉輪內(nèi)壁圓柱面上采用表貼式連接，葉輪軸向內(nèi)側(cè)面開(kāi)有圓柱形盲孔，轉(zhuǎn)軸前端裝在葉輪內(nèi)側(cè)盲孔內(nèi)，后端與滾動(dòng)軸承內(nèi)圈采用過(guò)盈配合，轉(zhuǎn)軸內(nèi)圈的軸向采用軸承E型卡簧進(jìn)行定位，外圈利用轉(zhuǎn)軸上的軸肩定位。定子鐵芯安裝在定子外殼內(nèi)，電機(jī)整體后端固定在支架上，繞組后端引出的導(dǎo)線通過(guò)底座支架的圓孔與穩(wěn)壓整流電路和充電鋰電池連接直接為負(fù)載供電，底座支架和定子密封殼體之間利用粘膠或螺紋進(jìn)行連接。

圖1 管道發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 小型發(fā)電機(jī)電磁數(shù)值仿真

2.1 電磁數(shù)值仿真基本理論

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部存在電磁場(chǎng)，對(duì)管道發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析計(jì)算時(shí)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法建立在磁場(chǎng)簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，其計(jì)算精度往往存在偏差[5]。數(shù)值分析的方法是將電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)區(qū)域剖分成有限多的網(wǎng)格或單元，建立以網(wǎng)格上各節(jié)點(diǎn)的求解函數(shù)值為未知量的代數(shù)方程組后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算的電磁場(chǎng)分析方法[6]。若利用理論解析法對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果跟數(shù)值分析進(jìn)行驗(yàn)證比較，設(shè)計(jì)的電機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確性將會(huì)有較大提高。

2.2 小型發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

管道發(fā)電機(jī)通常在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，考慮到在電機(jī)轉(zhuǎn)子上要盡可能多布置永磁體以達(dá)到多極電機(jī)的要求，發(fā)電機(jī)選擇外轉(zhuǎn)子徑向式結(jié)構(gòu)，其永磁體的充磁方式采用Halbach陣列充磁，降低漏磁系數(shù)，增大電機(jī)氣隙磁密，提高電機(jī)功率密度[7]。

由于發(fā)電機(jī)工作在狹小的管道環(huán)境內(nèi)，發(fā)電機(jī)直徑往往較小。電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)選擇取決于電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用條件、預(yù)期發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)等，為適應(yīng)電機(jī)的體積要求，極數(shù)和槽數(shù)及其配合種類(lèi)要求有更多的選擇，整數(shù)槽發(fā)電機(jī)由于每極每相槽數(shù)選擇范圍較小，而分?jǐn)?shù)槽繞組適合直接驅(qū)動(dòng)、低速和狹小空間的工作特性，因此管道發(fā)電機(jī)選用分?jǐn)?shù)槽的繞組結(jié)構(gòu)形式[8]。電機(jī)電磁參數(shù)如表1所示。

2.3 小型發(fā)電機(jī)電磁仿真分析

發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其中包括各項(xiàng)目材料、繞組分布方式和每槽繞組匝數(shù)、永磁體充磁方式、剩磁密度和矯頑力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等。設(shè)定求解域，轉(zhuǎn)動(dòng)域并設(shè)置邊界條件為氣球邊界條件等，并對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型建立后對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元求解[9]。

表1 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2和圖3分別表示發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下氣隙磁密隨時(shí)間的變化圖和發(fā)電機(jī)空載時(shí)磁力線分布情況。根據(jù)圖2可知，氣隙磁密波形接近正弦，最大值接近0.75 T，與計(jì)算結(jié)果接近。圖3表明定子齒磁密不超過(guò)1.8 T，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，磁力線分布均勻，基本符合設(shè)計(jì)要求[10]。

圖2 電機(jī)徑向氣隙磁密分布圖

圖3 管道發(fā)電機(jī)磁力線分布圖

Ansoft仿真計(jì)算的發(fā)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩如圖4和圖5所示。勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦，峰值接近6 V，與設(shè)計(jì)結(jié)果相似，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)規(guī)律，峰值約為6 mN·m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 電機(jī)三相空載勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)波

圖5 電機(jī)三相齒槽轉(zhuǎn)矩圖

3 電機(jī)轉(zhuǎn)速與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與整流穩(wěn)壓后輸出電壓的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。選用與發(fā)電機(jī)同軸心的可調(diào)速電機(jī)通過(guò)撓性聯(lián)軸器拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得發(fā)電機(jī)相電壓峰值隨拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)速-電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速-相電壓關(guān)系圖

由于電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速難以保證整數(shù)值，實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速取值與仿真條件有較小差別。由圖7可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大時(shí)，實(shí)際測(cè)得和仿真計(jì)算的定子繞組單相電壓峰值基本隨轉(zhuǎn)速成正比增大；當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min附近，即與設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速相近時(shí)，發(fā)電機(jī)單相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)值與設(shè)計(jì)值相近。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種軸流式的管道發(fā)電機(jī)，采用直驅(qū)式的電機(jī)結(jié)構(gòu)，計(jì)算并確定了電機(jī)電磁參數(shù),對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的管道發(fā)電機(jī)能夠達(dá)到預(yù)期的研究目標(biāo)，可為燃?xì)夤艿垒S流式發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。