周立安，晏才松，鄧建華，雷黎明，賈思慶

（1.中車株洲電機有限公司，株洲412001；2.上海中車漢格船舶與海洋工程有限公司，上海200082；3.深圳招商迅隆船務(wù)有限公司，深圳518067；4.中國船級社武漢分社，武漢430000）

0 引 言

目前，國內(nèi)外高端船舶電力推進系統(tǒng)一般采用柴油發(fā)動機＋電勵磁發(fā)電機作為標準的交流組網(wǎng)發(fā)電解決方案，柴油發(fā)電機組輸出50 Hz或60 Hz電能直接給設(shè)備使用，供電質(zhì)量較低，對負載適應(yīng)性差，在空載和輕負荷情況下增加了燃油損耗和對環(huán)境的污染；直流組網(wǎng)由于增加了四象限變頻器，沒有交流組網(wǎng)對電源頻率鎖定的要求，發(fā)電機組可根據(jù)工況需求變速運行，從而機組效率更高，能耗更低，同時也便于實現(xiàn)多機組并網(wǎng)、多能源形式運行，且占用空間更小，成為新一代船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展方向和各國競相研究的技術(shù)熱點［1?3］。

發(fā)電機作為整個船舶的電能提供者，屬于電力推進系統(tǒng)的核心部分，素有“動力心臟”之稱。受船舶安裝空間小，與柴油發(fā)動機剛性連接振動大，以及海洋運行環(huán)境復雜、船體顛簸等諸多因素的影響，發(fā)電機必須適應(yīng)用電負荷變化大的運行工況，而且要求具備高效率、高可靠性、體積小、功率密度大、環(huán)境適應(yīng)好等技術(shù)特點，研制難度大，體現(xiàn)了行業(yè)的頂尖技術(shù)水平，高技術(shù)船舶大容量電勵磁主發(fā)電機一直被國際巨頭企業(yè)壟斷，并對他國進行了嚴密的技術(shù)封鎖。

與傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機和電勵磁發(fā)電機相比，永磁發(fā)電機依靠永磁材料進行勵磁，不需要無功勵磁電流，總損耗減少了30%～50%，在繼承了傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機和電勵磁發(fā)電機優(yōu)異性能的同時，還兼具了三大優(yōu)勢：一是更適應(yīng)船舶發(fā)動機變速工作模式，低速、輕載工況節(jié)能更顯著；二是永磁發(fā)電機效率曲線更符合船舶用電工況波動大的實際運行狀況，以滿足船舶節(jié)能需求；三是同等功率下永磁發(fā)電機較三相電勵磁或異步發(fā)電機體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單，維護便捷，外形尺寸更適應(yīng)船艙狹小空間設(shè)備布置需求。因此，永磁發(fā)電機是船舶發(fā)電領(lǐng)域的理想選擇，可以為船舶運行提供一種性能更優(yōu)和全壽命周期、成本更低的新供電模式，具有廣闊的發(fā)展和市場應(yīng)用前景。

近年來，國際社會對低碳經(jīng)濟和節(jié)能環(huán)保的要求日益提高。雖然永磁電機憑借其高效率、高功率密度、高可靠性、易維護、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在直流組網(wǎng)船舶永磁發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)研究尚處于起步階段，沒有定型產(chǎn)品、可借鑒的成熟研制經(jīng)驗和試驗標準，開展船舶永磁發(fā)電機研究可促進我國電機本體設(shè)計制造、電機控制理論、試驗測試技術(shù)等多學科領(lǐng)域的進步，提高我國在直流船舶組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)領(lǐng)域的自主研發(fā)能力和核心競爭力，打破國外核心技術(shù)壟斷，推動我國高端船舶電力推進系統(tǒng)產(chǎn)品的升級換代和技術(shù)創(chuàng)新［4?5］。

本文結(jié)合直流組網(wǎng)船舶對發(fā)電機的總體技術(shù)要求，就如何設(shè)計適應(yīng)船舶直流組網(wǎng)柴油發(fā)電機組用永磁發(fā)電機進行了研究，主要就所研制的直流組網(wǎng)船舶1.99 MW永磁同步發(fā)電機（以下簡稱發(fā)電機）總體技術(shù)要求、設(shè)計難點及關(guān)鍵技術(shù)進行分析和說明，最后通過試驗結(jié)果分析表明，該發(fā)電機滿足直流組網(wǎng)船舶的要求，驗證了其設(shè)計的合理性和準確性。

1 總體技術(shù)要求

1.1 船舶電力推進系統(tǒng)

配套船舶采用直流組網(wǎng)電力推進技術(shù)方案，如圖1所示。相比于交流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

1）柴油發(fā)電機組變速運行，更節(jié)能、降噪、減排；

2）燃油費用顯著降低（最高降低20%）；

3）占地空間減?。ㄗ罡?0%），提高艙容；

4）便于多電源形式接入，支持“即插即用”。

1.2 變頻器對發(fā)電機要求

變頻器對發(fā)電機的要求如表1所示。

表1 變頻器對發(fā)電機要求

1.3 發(fā)電機組

發(fā)電機定子采用接圈與柴油發(fā)動機機殼剛性連接，發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過高彈與柴油發(fā)動機飛輪盤柔性連接，發(fā)電機組通過公共底座采用雙隔振結(jié)構(gòu)與船體進行固定。

1.4 環(huán)境條件

環(huán)境空氣溫度在－15℃～＋48.5℃范圍內(nèi)；應(yīng)能承受船舶正常營運中所產(chǎn)生的振動和沖擊，機組臺架試驗時的振動烈度有隔振時應(yīng)不大于45 mm／s，無隔振時應(yīng)不大于28 mm／s［6］；船舶傾斜搖擺角度：橫傾15°，橫搖22.5°，縱傾5°，縱搖7.5°，可能同時發(fā)生橫向和縱向傾斜；應(yīng)適應(yīng)潮濕、鹽霧、油霧、霉菌及海水環(huán)境。

1.5 發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)要求

發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)計難點

2.1 發(fā)電機與系統(tǒng)匹配設(shè)計

首次將永磁技術(shù)運用于直流組網(wǎng)船舶發(fā)電領(lǐng)域，且行業(yè)內(nèi)船舶推進系統(tǒng)尚無發(fā)電機應(yīng)用先例，這給發(fā)電機與變頻器、柴油發(fā)動機等的匹配設(shè)計帶來諸多技術(shù)難點。

2.2 熱管理及冷卻結(jié)構(gòu)難題

發(fā)電機為了防止永磁體吸附空氣中的灰塵及鐵屑而采用全封閉結(jié)構(gòu)，安裝在狹小船艙里，環(huán)境溫度高達48.5℃，散熱條件惡劣；同時由于變頻器負載帶來豐富的諧波，進一步給發(fā)電機的溫升控制帶來更大的難度。發(fā)電機冷卻卻介質(zhì)為海水，且需滿足狹小空間安裝維護需求，給發(fā)電機冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計也帶來困難。

2.3 小型化、輕量化

發(fā)電機體積和質(zhì)量指標要求高，且受全封閉冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)為海水、與柴油發(fā)電機組剛性連接及振動沖擊運行工況等因素制約，在保證安全可靠前提下進行小型化、輕量化設(shè)計具有很大挑戰(zhàn)。

2.4 發(fā)電機CCS（中國船級社）認證及試驗技術(shù)

船舶檢驗規(guī)范性文件中沒有其相關(guān)試驗標準，已有的電勵磁發(fā)電機一些試驗項點和方法已不能滿足永磁發(fā)電機及永磁發(fā)電機組的試驗需求，給項目的CCS取證、評價及驗收帶來很大困難。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電磁設(shè)計

在充分考慮系列化平臺設(shè)計、變頻器峰值電流和空載反電動勢限制、空水冷結(jié)構(gòu)及其散熱能力基礎(chǔ)上，合理選取極數(shù)、電磁負荷、轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)及氣隙長度等關(guān)鍵參數(shù)，改善發(fā)電機對非正弦波電源和狹小空間的適應(yīng)能力，使發(fā)電機的溫升、效率、空載反電動勢THD等指標滿足技術(shù)要求［7?8］。

（1）三圓

考慮通用化、研制周期及成本因素，定轉(zhuǎn)子沖片三圓尺寸借用Y系列電機模具。

（2）極數(shù)

電機極數(shù)越高，線圈端部尺寸越短，定子軛部越短，體積和質(zhì)量越小，定子沖片槽形和磁鋼空間布置就越困難，綜合考慮體積、質(zhì)量、成本等因素，電機極數(shù)選擇8極。

（3）氣隙

增加氣隙長度，可減小雜散損耗和抑制諧波損耗，增強過載能力，降低電機振動與噪聲，便于電機的裝配，更適合振動沖擊運行工況，同時可以提高發(fā)電機的電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性；但也帶來了永磁體用量增加、短路電流增大等不利影響。因此，氣隙選擇應(yīng)綜合考慮性能、成本、裝配工藝性及運行工況等因素。

（4）定子

定子采用成型線圈，提高槽滿率和剛度，獲得比散嵌線圈更高的功率密度和可靠性。定子采用H級耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)、斜一個定子齒距、瘦高槽形及增加電感方案，減少變頻器帶來的不利影響。

（5）轉(zhuǎn)子

永磁電機磁路結(jié)構(gòu)有內(nèi)置式和表貼式兩種。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)雖然漏磁系數(shù)高，導致磁鋼用量較大，但結(jié)構(gòu)堅固，抗去磁能力強，凸極率高，弱磁范圍廣且工藝性好，更適合惡劣運行工況，故發(fā)電機選取內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。永磁體采用高磁能積和耐溫性能較好的稀土材料，利于磁鋼有限空間布置及轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力優(yōu)化。在充分利用空載反電動勢產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計磁路結(jié)構(gòu)，對空載氣隙磁密波形進行優(yōu)化，減少空載反電動勢諧波含量，充分發(fā)揮電機磁阻轉(zhuǎn)矩，降低峰值電流，提高效率。從圖2、圖3可知，發(fā)電機空載反電動勢THD小于5%，表明轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。

圖2 空載線反電動勢波形（1 800 r／min）

圖3 空載線反電動勢傅里葉分析圖

3.2 冷卻結(jié)構(gòu)

發(fā)電機要實現(xiàn)高功率密度、高體積密度，必須選擇散熱能力好的冷卻介質(zhì)和冷卻結(jié)構(gòu)。冷卻介質(zhì)為海水或淡水，優(yōu)選淡水，便于靈活選擇冷卻結(jié)構(gòu)。冷卻結(jié)構(gòu)有空水冷、水夾克＋外置空水冷、水夾克＋內(nèi)置自帶風扇三種冷卻方式。本發(fā)電機冷卻介質(zhì)為海水，選取水夾克機座會引起腐蝕和結(jié)垢，故采用強迫通風鈦合金空水冷卻器、定轉(zhuǎn)子鐵心軸向分段及徑向通風方式，改善發(fā)電機的散熱能力，有效對定子絕緣、轉(zhuǎn)子磁鋼和軸承進行熱管理，解決大功率發(fā)電機小型化設(shè)計散熱難題。

冷卻系統(tǒng)由內(nèi)部循環(huán)風冷＋冷卻器水冷兩部分組成。內(nèi)部風冷系統(tǒng)主要用來冷卻發(fā)電機的定子絕緣、轉(zhuǎn)子磁鋼和軸承，內(nèi)部熱空氣通過風機及轉(zhuǎn)子通風道的驅(qū)動作用，進入機座頂部的空水冷冷卻器進行熱交換，由水冷冷卻器將發(fā)電機產(chǎn)生的熱量帶走，冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 發(fā)電機冷卻系統(tǒng)

采用商用有限元軟件Fluent對其三維流體場和溫度場進行流固耦合仿真計算，圖5為發(fā)電機額定工況時內(nèi)部溫度場分布云圖。

圖5 電機內(nèi)部溫度場分布云圖

采用Motor?CAD軟件對癱船發(fā)電機冷卻風機失電工況進行溫升仿真，考慮更加嚴酷的運行工況（停風＋停水），電機額定功率運行至穩(wěn)態(tài)溫升（圖6中0時刻），然后兩個風機同時停機（電機內(nèi)無供風，內(nèi)循環(huán)風量為0），繼續(xù)以額定工況運行180 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 癱船至恢復時的溫度曲線圖

仿真結(jié)果表明，空水冷冷卻結(jié)構(gòu)滿足發(fā)電機溫升限制要求。

3.3 輕量化設(shè)計

電磁設(shè)計和冷卻結(jié)構(gòu)已采取相應(yīng)措施，對有效材料質(zhì)量進行了控制，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件還需在保證安全可靠的前提下進行輕量化設(shè)計。在建立模型時，將冷卻器、定子繞組、轉(zhuǎn)子簡化為集中質(zhì)量點，對接圈（柴油機端）做固定約束?？紤]極限工況，將三相短路轉(zhuǎn)矩、重力G和單邊磁拉力F同時作用于鐵心內(nèi)圓表面上，加速度按GB／T 2820.9－2002《往復式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組?機械振動的測量和評價》中數(shù)值2選取，圖7、圖8分別為接圈和機座應(yīng)力仿真應(yīng)力分布云圖，仿真結(jié)果表明，其滿足所使用材料強度要求，可以在惡劣工況安全可靠運行。

圖7 接圈應(yīng)力云圖

圖8 機座應(yīng)力云圖

發(fā)電機運行過程中激勵復雜，變頻器負載也會引起豐富的徑向力波，必須對其結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，避免與轉(zhuǎn)子、基波徑向電磁力波產(chǎn)生共振。發(fā)電機前4階模態(tài)振型分別如圖9所示，對應(yīng)的模態(tài)數(shù)值如表3所示。

圖9 發(fā)電機四階模態(tài)振型

發(fā)電機1.2倍額定轉(zhuǎn)速2 160 r／min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動機械頻率36 Hz；發(fā)電機額定頻率120 Hz，基波電磁徑向力波頻率240 Hz。從表3可知，發(fā)電機的模態(tài)固有頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動機械頻率、基波電磁徑向力波頻率不重合且相差40%以上，表明發(fā)電機不會產(chǎn)生共振。

表3 發(fā)電機模態(tài)固有頻率

3.4 發(fā)電機CCS試驗

聯(lián)合CCS、系統(tǒng)商及船廠對發(fā)電機試驗技術(shù)進行研究和討論，針對發(fā)電機的應(yīng)用特點，在既有發(fā)電機試驗項點基礎(chǔ)上，消化吸收GB／T25123.4－2015標準中的相關(guān)項點，建立適用于船舶永磁發(fā)電機的試驗評價標準，解決永磁發(fā)電機試驗、取證及驗收的難題。永磁發(fā)電機與電勵磁發(fā)電機CCS取證試驗項點差異性如表4所示，其余項點要求一致［9?10］。

表4 試驗項點差異性對比表

4 試驗結(jié)果

樣機試制完成后，根據(jù)CCS，GB等相關(guān)行業(yè)標準及技術(shù)規(guī)范編制發(fā)電機試驗大綱，對其進行了例行試驗、型式試驗、柴發(fā)機組試驗、地面聯(lián)調(diào)試驗、系泊試驗、海試試驗。發(fā)電機型式試驗結(jié)果與項目指標對比如表5所示，發(fā)電機組振動試驗結(jié)果和項目

?

表5 發(fā)電機型式試驗結(jié)果和項目指標對比指標對比如表6所示，發(fā)電機型式試驗和發(fā)電機組振動試驗照片分別如圖10、圖11所示。

表6 發(fā)電機組振動試驗結(jié)果和項目指標對比

圖10 型式試驗照片

圖11 發(fā)電機組試驗試驗照片

試驗結(jié)果表明，樣機在效率、溫升、噪聲、振動及質(zhì)量等方面明顯優(yōu)于項目要求指標。該發(fā)電機實際運行至今，各項指標優(yōu)異，狀態(tài)良好，完全滿足項目要求，表明該電機的設(shè)計開發(fā)是成功的。

5 結(jié) 語

本樣機的成功研制表明，我國已基本掌握了直流組網(wǎng)船舶發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)，打破了發(fā)達國家的技術(shù)壟斷，填補了行業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)研究的空白，該發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、全域效率高、可靠性高、體積小、維護量少等諸多優(yōu)點，為船舶運行電力推進系統(tǒng)提供了一種性能更優(yōu)和全壽命周期成本更低的新供電模式，為永磁技術(shù)在民用高技術(shù)船舶和軍用船舶發(fā)電機組中的應(yīng)用推廣提供了參考意見，也為我國船舶電力推進系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和升級換代奠定了堅實的基礎(chǔ)。