基于Ansoft的海流发电机设计与分析

张国辉，谢 卫，张如雪

(上海海事大学，上海 200042)



基于Ansoft的海流发电机设计与分析

张国辉，谢 卫，张如雪

(上海海事大学，上海 200042)

以直驱式海流发电机为研究对象，针对发电机的结构特点、设计特点进行了理论分析，并用Ansoft软件中的RMxprt模块和Maxwell2D进行电机建模和电磁分析。重点讨论了直驱式海流发电机的设计特点，突出了海流发电机在设计和分析时的特殊性，为其他形式的海流发电机提供理论依据。

直驱式；海流发电机；永磁体；有限元分析

1 海流发电机的基本结构与原理

1.1 海流发电机的基本结构

海流发电机主要由转子、定子、永磁体、导流罩等部件组成。为了减少涡流损耗，电枢铁心采用叠压片结构。采用发电机与涡轮机直接耦合的直驱形式，减小了海流发电机在能量转换时产生的损耗，对提高系统效率和运行可靠性具有重要的意义。[1]

1.1.1 转子结构

永磁同步电机与普通电机的差别主要在转子磁路结构上，其转子结构灵活多样，可适应不同技术要求的需要。本文采用径向式磁路结构。

1.1.2 永磁体结构

为减小电机的体积，获取高功率密度，必须有足够大的气隙磁密，所采用的永磁材料应具有足够大的剩余磁密和矫顽力。本文的转子磁路结构为径向，永磁体径向布置是永磁体磁极的串联磁路。它的特点是：永磁体磁极直接面对气隙，磁极易于制成聚磁形状，磁通损失小，气隙磁通集中且分布均匀。磁极串联后的磁感应强度比单个永磁体的磁感应强度高5%～10%，并且永磁体的励磁方向与气隙磁通轴线一致，漏磁系数比切向式结构小，制造工艺简单，成本低，适用与多级大、中功率电机。

2 海流发电机的电磁设计

2.1 海流发电机的基本设计要求

2.1.1 设计特点

由电机设计理论可知，在功率一定的情况下，电机的体积与转速成反比，转速越低，体积越大。与带齿轮增速机构的发电机相比，直驱式海流发电机转速较低，体积大，成本高。直驱式低速海流发电机的设计具有以下特点：

1) 采用高性能的永磁材料。

2) 采用径向式多极磁路结构。

3) 结构设计时需考虑散热与防腐蚀。

2.1.2 海流发电机的主要技术指标

电机设计时都应满足设计任务书所规定的各项技术指标。根据上海海事大学海流发电实验室的具体情况，永磁同步低速海流发电机的主要技术指标如下：

1) 额定功率PN：230 W(输入)

2) 额定转矩：11 N·m(输入)

3) 相数m：3

4) 额定电压UN：36.8 V(相电压，Y接法)

5) 额定电流IN：2.1 A(相电流)

6) 额定转速nN：200 r/min

7) 额定频率fN：26 Hz

8) 额定功率因数cosΦN：0.90

9) 额定效率ηN：90%

2.2 基本参数的确定

海流发电机的设计理论处于初步研究阶段，至今没有一套完整的公式和经验曲线作为依据。交流电机经过几十年的研究，其标准体系已初步完成，因此可借鉴交流电机的设计经验。对于不同容量和转速的风力发电机，已积累了大量的设计和制造经验，参考文献也很多，这些都是很好的借鉴。

2.2.1 主要尺寸的选择

2) 每极每相槽数q=3

3) 确定定子槽数z=2pqm=2×8×3×3=144

4) 初选定子齿宽t1=1.5mm

5) 初步确定定子齿距t=t1+b1

b1=(0.55～0.65)t

取b1=0.6t,t=t1+0.6t

则t=3.7mm

6) 确定定子内径Dil

7) 初选定子外径D1

根据我国交流电机标准外径，查表初选机座号4号的定子外径[2]

D1=210mm

定子槽深和定子轭高之和

8) 计算永磁体的电流IN

9) 初选气隙δ=1mm

10) 计算转子外径D2=Dil-2δ=168mm

11) 计算永磁体的极距

12) 初步确定转子、定子的铁心有效长度Lef

Lef=λτ，取λ=2

则Lef=λτ=2×33=66mm

注：在设计分析时铁心长度长能提高材料利用率，最后取Lef=270mm

13) 永磁材料

NDeF35(烧结钕铁硼)

20 ℃时永磁材料性能：

剩余磁密Br=1.1T

矫顽力Hc=838kA/m

相对回复磁导率μr=1.01

永磁体尺寸：

确定永磁体am=18 mm，bm=22 mm

14) 计算永磁体的气隙磁密Bδm

Bδm=0.5T

式中：Km为永磁体端面系数，取0.67；Br为永磁体的剩磁，为1.1T；am为永磁体矩形面的短边长；bm为永磁体矩形面的短边宽；δ为气隙长度；σ为漏磁系数，取σ=1。

Φ=0.45×0.637×0.033×0.27wb=0.002 55wb

式中：气隙磁密分布曲线为正弦分布时，

16) 求永磁发电机的基波绕组系数Kdp

式中：α为用电角度表示的槽距角

则Kdp=Kd·Kp=0.96

17) 求每相串联导体数

相电压E=36.8 V

E=4.44KNmfNKdpΦ

式中：KNm为气隙磁场波形系数。波形为正弦波时，KNm=1.11

串联导体数N

18) 求每槽导体数Ns

式中：并联导体数a=4

19) 初选导体漆包线

初选电流密度ja=4A/mm2

永磁电机电流IN=2.3A

选取直径0.15mm的9号导线，则截面积

20) 由经验取电机的机械损耗和风磨损耗均为2 W，转子内径为140 mm。

2.3 RMxprt设计

由上面计算出来的基本参数，在RMxprt中进行电机的设计，运用RMxprt的运算功能分析设计是否合理，并进行参数优化[3]。在RMxprt中创建的低速海流发电机的样机模型如图1所示。

图1 RMxprt中的样机模型

仿真后与前述的主要技术指标相关的计算结果如下所示：

1) 输入功率P1：232.8 W

输出功率P2：213.1 W

2) 输入转矩T1：11.1 N·m

3) 相数m：3

4) 相电压UΦ：37.6 V

线电压UL： 64.6 V

5) 相电流IΦ：2.12 A

线电流IL： 2.12 A

6) 转速n1：200 r/min

7) 频率f1：26.67 Hz

8) 功率因数cosΦ：0.892

9) 效率η：91.5%

由以上数据可知，设计结果基本满足主要技术指标的要求，设计值与样机实验值是一致的。

另外，通过RMxprt模块还可以直接得到电机的一组性能曲线，如图2所示。

图2a为齿槽转矩波形，由图可知其齿槽转矩最大值为2 N·m，与额定转矩相比较小，这样就减小了稳定运行时海流发电系统电机的转矩脉动，同时也解决了在海水流速较低时海流发电机难以正常起动的难题。

图2 基于RMxprt的电机性能曲线

3 直驱式海流发电机的有限元分析

海流发电机的内部磁场分布非常复杂，采用RMxprt等效磁路法分析的计算精度有待提高。为了提高计算的精确度，一般采用有限元分析软件直接进行电磁场数值计算和分析。本章采用Ansoft仿真软件来完成低速海流发电机的有限元分析。

3.1 仿真模型

鉴于仿真的精度要求，在对电机建立仿真模型时，其模型的规格要与实际的电机规格相同。本项目所研究的直驱式海流发电机是多极低速，结构尺寸复杂，但沿轴向是对称的，为了缩短仿真时间，可在电机的一个极距范围内建立仿真模型，本文对电机的十六分之一周期进行仿真，建立的仿真模型如图3所示。

图3 海流发电机有限元仿真模型

3.2 磁场仿真分析

海流发电机空载运行时，通过仿真软件的后处理功能可以清晰地看到电机内部磁场的分布和磁密大小以及网格剖分图，再利用Maxwell 2D仿真模块的后处理功能，对输出电压、输出电流进行谐波分析，以及齿槽转矩的分析，以验证电磁设计方案是否合理。

图4和图5分别给出了额定转速时空载磁力线分布和磁密分布。由图5可见，空载时电机主要部分的磁密与设计清单中所列的电磁设计结果是基本一致的，即定子齿部磁密1.70 T，定子轭部磁密1.66 T，转子轭部磁密1.64 T，气隙磁密(最大值)1.05 T，永磁体磁密1.10 T。图6和图7分别给出了额定负载时的线电流和额定转速时的感应电动势波形，可以看出波形中都有谐波，但含量不大[4]。

图4 额定转速时空载磁力线分布

图5 额定转速时空载磁密分布

图6 额定负载时的线电流波形

图7 额定转速时的感应电动势

4 结语

本文重点论述了海流发电机的电磁特性，在此基础上完成海流发电机初始的电磁设计方案，并推导了主要电磁参数的计算公式，完成了低速海流发电机电磁方案的初步设计，运用Ansoft软件的Maxwell 2D模块对海流发电机进行基于磁场模型的仿真分析，通过建立磁场仿真模型，分别对海流发电机空载、额定负载下的特性进行了分析，其结果与电磁设计基本吻合。对其电磁装置的设计方法提出了一些有借鉴意义的结论和思路。

[1]Yuen K, Thomas K, Grabbe M, et al. Matching a Permanent Magnet Synchronous Generator to a Fixed Pitch Vertical Axis Turbine for Marine Current Energy Conversion[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2009,34(1):24-31.

[2]苏绍禹，高红霞.永磁发电机机理、设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[4]王棋，谢卫，裴中坤.海流发电机设计与仿真研究[J]，电机技术，2013(2)：31-35.

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