海流发电机的设计与电磁性能分析

王 棋，谢 卫，谭 程，裴中坤

(上海海事大学，上海 201306)

0 引言

海流发电机是将海流流动的动能转化为电能的一种装置[1]。由于其转速较低和极数较多，因此海流发电机的几何尺寸远大于同功率的传统电机，成为电机领域的研究热点。海流发电机是海流发电系统的重要发电设备，可直接与涡轮机耦合，省去笨重的齿轮箱，结构简单，运行可靠，受到越来越多的关注[2－3]。

海流发电机主要特点有2个:

1)海流发电机要安置在海平面以下，海水贯穿于涡轮机和发电机定、转子间隙之间，形成“水气隙”并通过“水气隙”传递能量;

2)海流发电机采用旋转式密封，即转子和涡轮机直接与海水接触，为转子和涡轮机叶片提供了一个很好的散热路径[4－5]。

这些特点决定了海流发电机的设计与传统电机设计有所不同。基于传统的磁路分析方法难以满足海流发电机的设计要求。利用场路耦合有限元分析法可以准确地分析电机内部的电磁场，而且有限元分析法也被越来越广泛地应用到电机设计和分析当中[6－7]。

以150 r/min 2.5 kW的海流发电机进行结构设计，建立海流发电机磁路模型，分析海流发电机的空载和负载特性，计算了电机的电磁损耗，最后对海流发电机建立热路模型。

1 海流发电机的结构设计

1.1 转子结构

海流发电机属于高转矩、低转速电机，其极数较多。采用24极结构，以保证转子的机械和电磁性能的对称性。采用24极结构，可计算出海流发电机的额定频率为30 Hz，有利于减小海流发电机的铁耗和铜耗。因此从电磁方面和机械装配方面综合考虑选取24极比较有利。

海流发电机的转子磁路采用径向式结构。在径向式转子磁路结构中，永磁体磁化方向与“水气隙”磁通轴线一致，离“水气隙”较近，漏磁较小，有利于提高“水气隙”磁密。永磁体采用烧结钕铁硼，是类似于粉末冶金的永磁材料，其剩余磁密和磁感应矫顽力较高，因而抗去磁能力较强[8]。

由于海水贯穿于间隙、转子和涡轮机之间，应在永磁体和转子表层涂抹玻璃纤维或环氧涂料，以防止由于海水腐蚀而产生结构的变形[9]。而且在海流发电机结构上增加一个导流罩装置，可以提高涡轮机捕捉效率，而且还可以减弱震动和气穴现象。

1.2 定子结构

海流发电机采用内转子结构，即涡轮机和转子镶嵌在定子内部。这样将产生很大的电磁转矩。电磁转矩是海流发电机最具有代表性的电磁参数。当定子绕组产生正弦或近似正弦电流时，其计算公式为:

式中:kdq为绕组系数;kNm为“水气隙”磁场波形系数;Bδ为“水气隙”磁密;αp为极弧系数;A为电枢绕组线负荷;Di1为电枢内径;Lef为电枢铁心有效长度;φ为内功率因数角。

由公式(1)可知，kdq、kNm、αp只在很小的范围内变化。因此参照大转矩、低转速发电机的设计数据，初步估计电机转矩Te以及电磁负荷Bδ、A，进而确定电枢内径Di1和电枢铁心有效长度Lef。其中为了减小海流发电机的有效体积，内功率因数角φ可以规定为 0°。

由于海流发电机转速低、极数多，定子外径也不能太大，定子槽数有限，需要采用适当的极数和槽数配合。初取定子槽数 Qi为90，则每极每相槽数1.25，为分数槽绕组接法。这样既可减少定子外径尺寸，缩小海流发电机的体积，又能削弱由非正弦分布磁场所产生感应电动势的谐波分量和齿谐波电动势。本文设计的海流发电机的结构如图1所示。

图1 海流发电机结构

2 海流发电机的磁路分析

2.1 磁通路径的划分

利用磁阻模型分析海流发电机的等效磁路网络，必须先确定磁通的所有路径，并求出这些路径的等效磁阻。最后根据电路类比法，可以很好地解决各段磁路磁阻的计算问题。

海流发电机的磁通分为主磁通φδ和漏磁通φσ。主磁通路径与传统电机相同，本文不做详细论述。漏磁通由三部分组成:1)永磁体磁极顶部之间的漏磁通φmm1;2)永磁体磁极侧面之间的漏磁通φmm2;3)永磁体磁极侧面出发，回到转子铁心的漏磁通φmm3。在一个极距范围内主磁通和漏磁通的路径如图2所示。

图2 海流发电机磁通路径

2.2 漏磁导的计算以及磁路等效模型的建立

在公式的推导过程中本文做以下假设:

1)忽略转子铁心及涡轮机的磁阻;

2)定子内圆表面光滑;

3)磁力线简化为直线或圆弧线;

4)永磁体的相对磁导率为。则永磁体顶部漏磁导为

永磁体磁极间漏磁导的计算公式为:

永磁体磁极与转子铁心之间的漏磁导的计算公式为:

式中:δ为“水气隙”长度，μs为海水磁导率，Lm为永磁体轴向长度，hm为永磁体径向长度，L2为漏磁通在“水气隙”中的积分圆弧长度，θ为永磁体磁极间隔所对应的圆心角度，r为转子铁心厚度。

海流发电机的等效磁路模型如图3所示，图中SL为漏磁导并联之和。

图3 海流发电机等效磁路模型

3 海流发电机空载与负载特性

基于场路耦合有限元分析方法，分析和计算了海流发电机的空载和负载特性。当电机在额定转速150 r/min的状态下运行时，其定子三相绕组空载电势波形如图4所示。

图4 三相绕组空载电势

图5 三相绕组负载电流

当相负载电阻为时5.06221 Ω，定子绕组的负载电流波形如图5所示。由于负载电流电枢反应磁场的去磁作用以及定子开槽作用，使电机负载时“水气隙”磁密波形比空载时发生畸变，如图6所示。海流发电机在150 r/min负载运行下，其电磁转矩如图7所示，相应的电磁功率约为2.7 kW。

图6 海流发电机负载时“水气隙”磁密

图7 电磁转矩波形

4 损耗计算

4.1 定子铁耗

根据电机设计理论，定子铁耗的估算公式为:

式中:PFe0为当Bmax=Bmax0及f=f0时，钢单位重量内的损耗。负载运行到某一时刻时，海流发电机内的等磁位线分布如图8所示，采用场路耦合有限元分析法计算负载运行时海流发电机定子铁心各部分的磁通密度和损耗，然后相加求的定子铁耗，约为94.0 W，如图9所示。

图8 海流发电机等磁力线分布

图9 海流发电机铁损耗波形

4.2 定子绕组铜耗

海流发电机定子绕组铜损耗的估算公式为:

式中:Ia为发电机定子绕组A相电流，Ra为A相绕组阻值，已包含端部绕组阻值。定子相绕组的计算阻值为0.23 Ω，额定线电流在12.93 A时定子绕组的铜耗为115.3 W。由于海水流速比较低，其平均值在2 m/s，因此海流发电机的转子与海水之间的摩损耗，我们可以忽略不计。

5 海流发电机的热路模型

5.1 海流发电机的热量传递路径

海流发电机的散热方式有两种:一种是铜损与铁损之间的热量传导，另一种是存在于定子外表面、内表面以及海水之间的对流散热。对于转子的散热情况，本文忽略不计。因为海流发电机在海平面以下工作，由于采取旋转式密封，使海水贯穿于定、转子之间的间隙以及涡轮机中，海水与转子直接接触，为转子提供了一个良好的散热路径。

5.2 海流发电机的热路模型

基于热传导定律的知识，本文对海流发电机单位体积建立热路等值模型，如图10所示。

图10中R1为绕组与绝缘防腐材料之间的热阻，R2为定子铁心与绝缘防腐材料之间热阻，R3为绕组与铁心之间的热阻，R4为定子铁心与导流罩之间热阻。运用电路理论的知识计算出海流发电机铜损和铁损的温升为

图10 海流发电机热路等值模型

式中:RFe为R2、R4的合成热阻。

对流散热是指固体表面与流体直接接触的情况之下，当海流发电机正常工作时，其定子表面与海水直接接触。当定子表面与海水温度不相等时，热量直接由高温物体传向低温物体。其对流散热的热阻模型为:

式中:S为定子铁心与海水的接触面积，h为对流散热系数。

6 海流发电机的设计结果

运用上述的分析方法以及参照交流电机的设计经验，本文确定了粗略的设计方案。基本参数如表1所示。电气参数如表2所示。

表1 海流发电机基本参数

表2 海流发电机电气参数

从表2中可以看出较大的相序阻抗对电机的性能的影响。本文设计的海流发电机的相序阻抗值较大，导致海流发电机的功率因数偏低，在0.75左右。因此在进行并网发电时，要选择容量较大的逆变器。

7 结语

1)提出了一种可满足海流能环境和电磁性能要求且加工工艺简单的海流发电机结构。为了使永磁体避免因海水腐蚀而产生不可逆的去磁现象，采用在其表层涂抹玻璃纤维或环氧材料，而且要在加工装配之后在整体充磁的方法。

2)采用旋转式密封结构，解决了海流发电机的密封难题，定、转子间隙之间采用“水气隙”传递能量，提高能量利用效率，并且为转子和定子提供了良好的热传递路径。

3)运用场路耦合有限元分析方法，计算海流发电机负载时的损耗和磁场分布，海流发电机的稳定运行发电效率可达到90%。

4)海流发电机的损耗和温升的准确计算难度较大，其计算精度有待进一步实验验证，该项工作正在进行当中。

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