直驅(qū)式六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計及仿真分析

陳 哲，高藝菲，謝 衛(wèi)，朱青云

(1. 上海海事大學(xué)，上海 200135； 2. 安徽大學(xué)，合肥 230039)

0 引言

近年來隨著能源消耗與環(huán)境污染等問題的日漸嚴(yán)重，對海洋能等清潔能源的開發(fā)與利用已經(jīng)成為世界廣泛關(guān)注的焦點。海流發(fā)電由于其資源豐富、對環(huán)境污染較小、利用率高等優(yōu)點，已成為海洋能發(fā)電的主要方式之一。多相發(fā)電機(jī)與三相發(fā)電機(jī)相比，增加了定子的相數(shù)，可降低相電流來解決并聯(lián)變流器的環(huán)流問題。對于3的倍數(shù)相發(fā)電機(jī)，根據(jù)中性點的不同連接方式，可通過繞組串聯(lián)來實現(xiàn)中壓并網(wǎng)，繼而解決海流發(fā)電系統(tǒng)在低壓、大電流情況下電流環(huán)不易控制、濾波器壓降大的問題[1]。多相發(fā)電機(jī)還具有轉(zhuǎn)矩波動小、功率密度高、輸出功率大、容錯性能好等優(yōu)點[2]。雙Y移30°的六相永磁同步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與對稱的六相永磁同步發(fā)電機(jī)相比，電流中不含5次和7次諧波，已經(jīng)成為未來海流發(fā)電機(jī)的主要選擇之一。

目前對海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計工作研究較少。文獻(xiàn)[3]對國內(nèi)外海流發(fā)電最新的研究進(jìn)展情況進(jìn)行了介紹，并分析了其關(guān)鍵技術(shù)。以一臺350 kW半直驅(qū)海流發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行電磁方案設(shè)計，通過對比選出滿足要求的設(shè)計方案。文獻(xiàn)[4]以230 W、200 r/min低速永磁同步海流發(fā)電機(jī)為例，對四種不同極數(shù)/槽數(shù)配合的設(shè)計方案進(jìn)行了對比分析。文獻(xiàn)[5]介紹了海流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點以及設(shè)計方法，提出了海流發(fā)電機(jī)設(shè)計基本框架。目前雖對多相永磁同步電機(jī)原理上的研究已經(jīng)比較成熟，但是將其運(yùn)用在海流發(fā)電上仍然還處于初步探索階段，在設(shè)計等方面還需進(jìn)一步深入研究。

本文根據(jù)海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點，以六相雙Y移30°繞組的永磁同步發(fā)電機(jī)為例，基于六相半對稱繞組的極數(shù)/槽數(shù)選取原則，針對不同極數(shù)/槽數(shù)配合，利用Ansoft RMxprt對其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)分析。綜合各因素，選取了500 kW、20 r/min、78極216槽的六相雙Y移30°永磁同步發(fā)電機(jī)作為研究對象。在Ansoft Maxwell中建立2D模型，仿真分析了空載以及負(fù)載情況下的感應(yīng)電動勢、轉(zhuǎn)矩、電流等基本性能。

1 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計

1．1 海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點

由式(1)可知，由于海流速度低，最快不到2 m/s，而采用直驅(qū)的傳動方式，便使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低。

(1)

式中：n為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為發(fā)電機(jī)的頻率；p為發(fā)電機(jī)的極對數(shù)。

在低轉(zhuǎn)速情況下，如要使得頻率不至于太低，電機(jī)必須要采用多極設(shè)計。由于電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)矩近似成正比，直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩較大，要保持與高速發(fā)電機(jī)相同的高功率額定值，便要增大電機(jī)尺寸。所以海流發(fā)電機(jī)這種多極多槽的結(jié)構(gòu)與電樞軸向長度較短的傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有更大的內(nèi)部電樞直徑和相對較短的軸向長度，看起來像是盤式電動機(jī)。鑒于此結(jié)構(gòu)特點，海流發(fā)電機(jī)多采用轉(zhuǎn)子內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。另外，由于海流發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間是依靠貫穿在定、轉(zhuǎn)子間隙的海水來傳遞能量而并非傳統(tǒng)電機(jī)那樣依靠的是空氣，所以海流發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的間隙相對較大。由于海流發(fā)電機(jī)在定子和轉(zhuǎn)子之間充滿海水，與海水接觸的部分不可避免地會被海水腐蝕，因此，海流發(fā)電機(jī)的防腐要求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，通常在其表面使用玻璃纖維和環(huán)氧材料以改善耐腐蝕性。當(dāng)然海水的流動也為海流發(fā)電機(jī)提供了一個很好的散熱方式。

目前對海流發(fā)電機(jī)的設(shè)定還沒有形成一套完整系統(tǒng)的公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)曲線，但海流發(fā)電機(jī)這種圓盤式的結(jié)構(gòu)特點與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較相似，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計相對較為成熟，故可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一些設(shè)計經(jīng)驗運(yùn)用在海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計上。

1．2 海流發(fā)電機(jī)極數(shù)/槽數(shù)配合的選取原則

極數(shù)/槽數(shù)配合是電機(jī)設(shè)計過程中非常重要的因素，它除了影響電機(jī)電動勢波形和繞組因數(shù)之外，還對永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生重大影響。因此，為了提高電機(jī)性能，合理選擇極數(shù)/槽數(shù)配合是必不可少的。

六相電機(jī)特別是六相半對稱繞組電機(jī)，對極數(shù)/槽數(shù)配合所要求的條件相比于三相電機(jī)要苛刻得多。由于六相雙Y移30°繞組從電機(jī)內(nèi)部看就是十二相系統(tǒng)，所以相帶為30°，若要嚴(yán)格的構(gòu)成六相半對稱繞組，就要求在電動勢星型圖里相鄰兩個電動勢矢量的夾角β能整除30。其中：

(2)

式中：t為單元電機(jī)數(shù)；Q為定子槽數(shù)。

由于永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩會使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動與噪聲，從而影響電機(jī)的控制精度，降低電機(jī)的安全性能。齒槽轉(zhuǎn)矩越小則意味著越低的切入海水流速，發(fā)電機(jī)就可以獲得更多的能量，從而提高電機(jī)的發(fā)電效率[6]。所以在設(shè)計極數(shù)/槽數(shù)配合時要盡可能的降低齒槽轉(zhuǎn)矩。降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法較多，如改變極弧系數(shù)、減小定子槽口寬度以及改變永磁體厚度等，這里只介紹極數(shù)/槽數(shù)配合對降低齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。在文獻(xiàn)[7]中給出了在不同的極數(shù)/槽數(shù)配合下齒槽轉(zhuǎn)矩的一個評價因子：

(3)

式中：NC為槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)。評價因子越小表示在該極數(shù)/槽數(shù)配合下的齒槽轉(zhuǎn)矩則越小，由于影響齒槽轉(zhuǎn)矩的因素有許多，故該評價因子只能大概的表述極數(shù)/槽數(shù)配合對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，齒槽轉(zhuǎn)矩的具體大小還和具體的電機(jī)設(shè)定參數(shù)有關(guān)，想要得到準(zhǔn)確的齒槽轉(zhuǎn)矩大小還必須結(jié)合其他的參數(shù)計算。

根據(jù)上述極數(shù)/槽數(shù)的選取原則，本文選取了10組極數(shù)/槽數(shù)配合，并利用RMxprt軟件對其進(jìn)行求解，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同極數(shù)/槽數(shù)配合下的RMxprt數(shù)據(jù)

綜合齒槽轉(zhuǎn)矩和效率等因素，表1中的極數(shù)/槽數(shù)配合中的78極216槽、84極360槽以及102極216槽相對較好。本文將選取極數(shù)/槽數(shù)相對較少的78極216槽進(jìn)行設(shè)計、仿真和分析，其設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 六相海流永磁同步發(fā)的電機(jī)基本參數(shù)

2 基于有限元的磁場分析

2．1 模型建立

在Ansoft軟件RMxprt模塊中進(jìn)行初步計算，然后將RMxprt模塊中的模型導(dǎo)入Maxwell 2D環(huán)境中，刪除自動生成的三相電源，根據(jù)圖1所示的六相78極216槽定子槽電動勢矢量星型圖對Maxwell 2D中電機(jī)模型的繞組進(jìn)行重新分相，其中A、B、C為一組，U、V、W為另一組。由于電機(jī)尺寸較大，定子槽數(shù)有限，為了減小電機(jī)外徑尺寸，縮小電機(jī)體積，故采用短距分?jǐn)?shù)槽繞組接法。利用軟件自動生成的邊界條件和網(wǎng)格剖分等設(shè)置，對模型進(jìn)行空載與負(fù)載情況下的仿真分析。

圖1 六相78極216槽定子槽電動勢矢量星型圖

2．2 空載工作特性分析

空載特性是檢驗發(fā)電機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，當(dāng)海流發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速20 r/min的狀態(tài)下運(yùn)行時，

通過對氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩以及空載感應(yīng)電動勢等分析來驗證海流發(fā)電機(jī)設(shè)計的合理性。

圖2是六相海流永磁同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行下的磁密云圖。從圖中可以看出，在空載運(yùn)行下，各部的磁通密度均沒有超過飽和點。磁力線分布很有規(guī)律，定子齒中磁密明顯大于其余各處，槽中幾乎沒有磁力線，說明漏磁通非常小，電機(jī)的空載漏磁系數(shù)很小。圖3為電機(jī)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩，在圖3中齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值為732.3 N·m，僅占額定轉(zhuǎn)矩的0.30%，由此可見齒槽轉(zhuǎn)矩非常小，從而避免了由于海水切入流速較小，而齒槽轉(zhuǎn)矩較大使得發(fā)電機(jī)不能正常起動的情況。圖4為該發(fā)電機(jī)的空載感應(yīng)電動勢波形圖，從中可以看出波形中雖然含有諧波，但諧波含量都比較小，電壓諧波畸變率也僅有1.58%。

圖2 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)的空載磁密云圖

圖3 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖4 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)的空載感應(yīng)

2．3 負(fù)載工作特性分析

本文以圖5所示的外電路模擬發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，額定負(fù)載電阻為2.332 67 Ω，負(fù)載電感為0.009 890 39 H。

圖5 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)的外電路

圖6和圖7分別是六相海流發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行下的感應(yīng)電動勢波形和電流波形。由圖可以看出，感應(yīng)電動勢和相電流波形較為光滑而且正弦性較好，雖然含有諧波，但由于采用分?jǐn)?shù)槽繞組接法，對諧波含量起到了一定的抑制作用。

圖6 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)負(fù)載電壓波形

圖7 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)負(fù)載電流波形

六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩如圖8所示。由圖可知，約在0.25 s時電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩接近額定輸出轉(zhuǎn)矩且進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行后轉(zhuǎn)矩波動很小。

圖8 六相永磁同步海流發(fā)電機(jī)負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩

3 結(jié)論

本文基于Ansoft軟件，針對海流發(fā)電機(jī)的設(shè)計特點，先在RMxprt分析比較了不同極數(shù)/槽數(shù)配合下的電機(jī)參數(shù)，然后在Maxwell 2D中建立了78極216槽的六相雙Y移永磁同步海流發(fā)電機(jī)模型，對該模型進(jìn)行仿真并分析了其在空載和負(fù)載情況下的仿真結(jié)果，驗證了本電機(jī)設(shè)計的合理性。