直驱式波浪发电用全超导初级励磁 直线发电机的设计与分析

黄 磊 胡敏强 余海涛 施智祥 仲伟波

（1.东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心 南京 210096 2.东南大学物理系 南京 210096）

1 引言

直驱式波浪发电系统减少了中间传动机构、结构更加简单、系统转换效率更高[1]。高效率、高功率密度的直线发电机的研发是一直是直驱式波浪发电系统的核心问题。目前，直驱式波浪发电用直线电机主要有双馈直线感应发电机、直线同步永磁发电机、直线游标混合发电机、横向磁通直线发电机、磁通切换直线电机等多种电机[2-6]。由于波浪直驱具有大推力、低速度的特点，并且电机气隙远大于旋转电机，使得以上采用铜材料电枢绕组和永磁材料的直驱式波浪用直线发电机均具有功率密度较低、体积庞大、效率低下、磁场不可控的缺点。如何解决这些问题成为直驱式波浪发电技术规模化应用的关键。

正如直驱式波浪发电技术领域著名研究学者 M.A.Mueller 和H.Polonder 所指出,解决直驱式波浪发电体积庞大、功率密度和效率低下这一核心问题的主要可能方式是采用比铜材料更加高效的新型材料[7-8]。目前唯一的可用材料就是超导材料。超导材料的使用不仅可以大幅提高电机磁场、增大电机功率密度、减小体积，同时可以增大电机效率、减小电机阻抗从而增大功率因数。O.Keysan 提出了一种采用超导材料建立电机磁场的单极超导直线电机，将其应用于直驱式波浪发电系统，取得了一定的成果[9]。

目前，超导型电机在类型上多为超导型同步电机[10]，即采用动子超导磁体结构，因此其冷却机构较为复杂[11]。随着定子永磁型电机的发展，部分学者开展了定子超导磁体电机的研究工作。定子超导磁体电机，其电枢和超导磁体均位于定子之上，运动部分既没有电枢也没有磁体，因此，其冷却机构设计较为简便，利于实用化。

从超导材料的应用位置上，目前的定子超导磁体电机和超导同步电机多为部分超导型电机，即采用超导材料作为场绕组，电枢绕组仍为铜线。全超导型电机的电枢绕组和场绕组均为超导材料。很显然全超导电机的功率密度和效率远高于部分超导型电机。尽管如此，部分超导型电机仍占据很大份额，这是由于全超导电机面临两个重要问题[12]：

（1）电枢绕组存在较大的交流损耗。由于交流损耗将造成温度上升，影响热稳定性，进而可能引起失超现象。

（2）低温冷却机构十分复杂。由于一般的同步电机的电枢和绕组分别位于定子和转子之上。因此，需要定子转子同时冷却，而转子的旋转运动使得冷却系统设计较为复杂。

近年来，随着二硼化镁（MgB2）超导材料的应用，电枢的交流损耗问题得到了解决，采用MgB2材料的全超导电机得到了广泛的关注[13,14]。另外其具有比重小、易制备、易绕制等优点，可以被液氢燃料冷却到20K 工作。既克服了常规低温超导材料制备困难、价格昂贵的缺点，又克服了对液氦的依赖，可方便的使用小型制冷机获得[13]。然而，与其他超导材料相比MgB2材料存在工作磁场相对较小的缺点。为克服这一缺点，部分学者采用MgB2材料作为电枢绕组，YBCO 材料作为场绕组，研发了混合全超导电机[15]。但是，为了满足两种不同超导材料同时工作，其电机结构和制冷系统均较复杂，加工和运行成本也很高。

因此，本文以直线游标混合发电机和磁通切换电机等初级永磁直线电机为基础[16]，基于MgB2超导材料，提出一种结构简单的全超导圆筒型初级励磁直线发电机。开展将其应用于直驱式波浪发电的研究工作，为初级励磁型超导直线电机的直驱式波浪发电系统的应用提供前期研究基础。

2 电机结构和基本工作原理

全超导初级励磁型直线发电机的结构如图1 所示。

图1 FSPELG 结构图 Fig.1 The configuration of the proposed FSPELG

该超导直线电机的励磁绕组和电枢绕组均采用MgB2超导线材。超导励磁绕组使得气隙磁通密度得到提高，从而增大功率密度。同时，可实现磁场调节，降低器件的电压工作压力；超导电枢绕组不仅消除了电枢损耗，增大了发电效率，而且可减小槽宽，增大初级和次级间的有效磁通面积，同时可降低电枢绕组电抗，提高功率因数。由于励磁和电枢绕组均位于固定的初级定子上，其冷却系统不需要运动，复杂程度得到了大大降低。采用有铁心结构，既满足了MgB2低场强特点（1～3T），又可通过铁心引导磁路，有利于结构设计。圆筒型结构既可适应不同波浪来波方向，又可消除了横向端部效应，同时可消除初级吸力；采用多齿结构，可增加磁场变换率，从而增大有效电压，弥补低速时输出电压不高的缺点。完全采用模块化结构，模块间具有完全机械结构和冷却单元独立，具有一定的容错性能。该电机的基本参数见下表。

表 全超导初级励磁型直线发电机基本参数 Tab.The basic parameters of the proposed FSPELGor

3 MgB2 超导绕组性能分析

MgB2超导线材对电机的适用性直接决定了电机的性能。对于场绕组的导电性和电枢绕组的交流损耗是全超导电机的主要性能指标。本文针对MgB2超导线材的相关性能进行了研究。

3.1 超导绕组导电性能测试

图2 为应用于超导电机的MgB2超导线材结构，采用玻璃钢纤维材料作为绝缘包套材料，铁或者铜作为粉末的包套材料。超导材料的有效截面积0.8mm2。完成包套后进行烧结，形成超导线。对该超导线的导电性能和不同烧结温度和磁场下的导电性能进行测试，测试结果如图3 所示。

图2 MgB2 超导线材 Fig.2 The MgB2 type superconducting wire

图3 MgB2 超导线材导电性能 Fig.3 The conductivity of the MgB2 wire

从图3 可知在30K 温度左右，超导体可实现完全的超导，而且在20K 工作温度2T 工作磁场情况下，其电流密度至少可以达到100A/mm2，这完全适用于超导电机的工作性能。

3.2 交流损耗计算

交流损耗的大小直接决定了制冷机功率的选择，因此，估算全超导电机电枢绕组的交流损耗十分重要。本文采用数值方法进行交流损耗的估算。超导电枢所在区域的磁场强度为

式中 H——磁场强度；

ρ——微电阻率；

μ0——相对磁导率。

选取槽边界和气隙边界组成的区域为积分区域，C 为该区域外轮廓曲线，因此

式中 Hg——气隙等效磁场强度；

g——气隙长度；

N——导体匝数。

根据学者Bean 的超导体电路状态模型，等效电阻率可表示为[18]

式中 电流密度 =∇×J H ；

Jc——超导体临界电流密度；

ρf——磁通流阻密度。

通过计算出的磁场强度分布，槽内超导体上单位长度的交流损耗可表示为

式中 f ——电流交流频率。

根据文献[16]，磁通流阻密度ρf=1×10-7Ωm。通过计算，若相电流峰值为30A 时，每相的交流损耗约为0.275W，远远小于相应的铜材料绕组，并且完全满足制冷机的要求。相比于采用铜线，可大大减少电机铜耗，提高电机效率。

4 电机特性分析

图4 两个电机的单元结构图 Fig.4 The unit configurations of FSPMLM and VHM

为研究初级励磁型全超导直线发电机的性能，如图4 所示的一个游标直线电机（VHM）和一个单 齿磁通切换永磁直线电机（FSPMLM）进行了对比分析[17]。三个电机的次级内外径尺寸和次级的齿距完全一致。

4.1 空载特性

采用二维瞬态有限元方法对初级励磁型全超导直线发电机进行了仿真分析获得了电机磁力线分布和磁场分布如图5 所示。

图5 磁场分布图 Fig.5 The magnetic field distribution

通过二维静态有限元方法，可获得三种电机的气隙磁通密度如图6 所示。

图6 气隙磁通密度分布 Fig.6 Air gap flux density distribution

通过瞬态有限元方法可获得三种电机的空载特性，其中单相单匝绕组磁链如图7 所示。

图7 单相单匝绕组磁链 Fig.7 The no-load PM flux of single phase,single-turn

采用超导绕组的初级励磁直线电机，由于超导绕组的应用，减少了槽所占空间，有效的增加了初次级齿部面积，因此，可获得较高的单匝绕组磁链，具有较高的功率密度。

当运动速度为0.5m/s 时，可获得初级励磁型全超导直线发电机的感应电动势如图8 所示。并且可获得三种电机的空载定位力分布如图9 所示。

图8 FSPELG 的感应电动势 Fig.8 The EMF of the FSPELG

图9 空载定位力分布 Fig.9 The no-load detent force

从图中可知，由于永磁体的边端磁路突变，游标直线电机存在一个较大的边端定位力，引起其空载定位力较大。而对于磁通切换直线电机，其边端无永磁，因此其主要的定位力分量为齿槽定位力分量，采用多齿结构的超导型初级励磁直线电机，定位力分布更加均匀，因此，其定位力分量更小。

4.2 负载特性

发电机的带载能力是发电机的重要特性。本文采用三相对称性电阻负载，对所提出的超导型初级励磁直线发电机和单齿磁通切换直线电机进行了对比分析。采用二维瞬态有限元方法对其进行了仿真分析。对于超导励磁型初级励磁直线发电机，随负载变化时相应的调制励磁稳定电压。在不同负载电流下的电压输出曲线如图10 所示。

图10 负载特性 Fig.10 The load performance

从图中可知，随着三相电阻负载电流的增加，电枢反应增强，去磁较为严重，这将造成端电压降低。超导型初级励磁直线电机增大励磁电流可实现端电压的稳定，因此，超导型初级励磁型直线电机，初级励磁电流工作范围较广，可实现大范围的励磁调节，减小端电压降低。然而，由于存在磁路饱和的影响，因此，随负载的增加时，虽大幅增大了励磁电流，仍然存在无法避免的电压跌落。

而对于磁通切换永磁电机，由于永磁磁场不可调，出现较大电压跌落，带载能力较弱。对于超导励磁直线发电机，同样励磁电流不变时，也产生较大的电压调整率，带载能力降低。然而，由于初级绕组为超导绕组，超导型初级励磁直线电机励磁电流不变时其电压调整率和带载能力均优于永磁磁通切换电机，这主要是初级绕组内阻远小于负载电阻。

5 实验验证

本文通过实验室已有的单齿磁通切换直线电机进行了实验验证。实验电机的初次级结构如图 11所示。该电机的空载和负载时的电压曲线如图 12所示。

图11 FSPMLM 实验样机初次级 Fig.11 The primary and secondary of a FSPMLM

图12 实验电压波形 Fig.12 The experimental results of voltage

从实验结果可知，单齿磁通切换直线电机带载后存在相对较大的电压调整，带载后电压几乎不到为空载电压的50%。这说明，永磁磁通切换直线电机作为发电机存在较大的电压调整率，带载能力弱。从而证明了具有可调磁场的超导型初级励磁直线电机的优越性。

6 结论

本文根据波浪发电的特点，在游标直线电机和磁通切换直线电机的基础之上，基于MgB2超导线材提出了应用于直驱式波浪发电机的超导型初级励磁直线发电机。完成了超导绕组的性能分析，并对交流电枢超导线的交流损耗进行了计算。给出了电机具体结构尺寸，并对该电机的空载特性和负载特性进行了仿真分析。分析结果表明：

（1）采用初级励磁结构，次级结构简单，可有效地减少制冷机构的复杂度。

（2）采用多齿结构可有效的增大磁通变化率，减少电机的定位力。

（3）采用初级超导励磁可实现磁场大范围调节，减少带载时电压的降低，增大带载能力。

（4）超导绕组具有低损耗，有效地减少电机损耗。

对于该类电机在波浪发电等直线发电领域的应用具有一定的参考价值。

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