煤矿井下涡轮发电机设计与试验分析

2019-05-27李宗燎王家成

微特电机 2019年5期

谭超，李宗燎，王家成

(三峡大学，宜昌 443002)

0 引言

由于具有在高温调节下能够稳定电能输出和使用寿命较长等特点，涡轮发电机正成为随钻测井仪器的主要电源[1-2]。在石油钻探方面，很多学者对涡轮发电机展开了研究，并获得了一定的成果。文献[3]对涡轮发电机的关键部件涡轮进行设计、建模和仿真，并根据结果得到了最佳的叶片数、叶片出口角度、中弧线圆弧半径大小及叶片进口角度等参数,使得设计的涡轮模型水力性能达到最好，极大地提高涡轮的输出功率。文献[4]提出了一种基于Halbach永磁体且采用磁耦合静密封方式的涡轮发电机，通过对发电机的结构场、共轭耦合场和电磁场的多物理场求解计算，得出了该结构电机能够有效提高发电机的功率密度。文献[5]设计了一种自动补偿式动密封的涡轮发电机，该电机同时运用磁耦合传动结构，并对其进行了建模与仿真分析，发电机在额定转速下，输出相电压可达到50 V左右，功率可高达千瓦。王智明、郭云等人研究了一种混合的励磁模式涡轮发电机，剖析了高温高压对发电机运行的影响，经过实验验证，混合励磁构造下发电机输出功率不受高压影响，但随着温度上升效率会降低[6]。

煤矿随钻测井与石油钻井的井口口径大小不同，并且煤矿钻探过程中要考虑防爆等因素，因此用于石油钻井的涡轮发电机不能直接用于煤矿之中。本文根据煤矿钻井井口口径，设计了一种涡轮叶片直径70 mm、其他通径小于55 mm的外转子式新型涡轮发电机，该新型电机可以克服了传统磁耦合发电机极易发生滑脱及柔性谐振的缺点。通过仿真模型分析及实物带载试验验证，设计的发电机输出波形谐波含量小且趋于正弦波，输出功率可满足供电要求。

1 涡轮发电机整体结构及分析

传统涡轮发电机多采用磁耦合结构模式，利用磁耦合结构可实现能量的无接触传递，能够有效保护发电机定转子内部，使其不受钻井液的冲蚀。然而此类发电机结构复杂，需要极大的空间安装隔离套及内外磁体，当负载突然变化时极易出现柔性谐振和滑脱现象，可靠性较低[7-8]，这些缺点使得传统发电机无法长远地进行井下供电。

本文研究了一种定子密封形的外转子新型涡轮发电机，图1是井下涡轮发电机的基本结构。涡轮发电机由涡轮叶片驱动器、发电机本体(外旋转磁铁结构及内定子线圈)及整流稳压器3个部分组成，发电机整体通过扶正器固定在钻铤内部，该发电机采纳外转子结构模式，将外转子与涡轮转子直接连接，可以有效简化结构、减小发电机体积，不会发生滑脱现象，并且采用定子密封形式，可以避免钻井液对内部结构的腐蚀。

图1 涡轮发电机基本结构

在钻井测量过程中，钻井液(高压清水)通过分流器导流后冲击涡轮使发电机外壳转动，同时带动与涡轮外壳直接连接的12片转子磁片旋转产生可变磁场，12片转子磁片通过机械槽限位结构和外旋转轴直接固连，定子绕组线圈固定在发电机内不旋转的轴上，在变化的磁场中定子线圈切割磁感线，产生电能，最后通过整流稳压处理输出恒压直流电。本文主要进行发电机部分的结构参数设计以及仿真实验研究。

2 发电机设计及计算

发电机采用如图2所示的外转子结构，与传统发电机结构不同，转子磁片直接固定在发电机外壳上，随涡轮一起转动，内部为定子线圈和铁心，通过铜制的隔离套保护定子线圈免受磨损。这样的结构与传统内转子发电机相比，电机气隙可以设计得更大，发电机得到的转动惯量也较高。

图2 发电机结构图

采用9个呈Y形连接的三组三相线圈作为定子绕组，转子中放入6对均匀排列的钕铁硼强力瓦形磁铁，当转子随着涡轮驱动器转动时，磁铁与定子线圈作切割磁感线运动，从而产生交流电。从流体力学来看，发电机输出的电能与涡轮捕获的能量有关，输出功率随着液体流速的增加而增加[9-10]，其关系如下：

(1)

式中：P为涡轮从流体中捕获的功率；ρ为钻井液密度；v为钻井液的流速；KP为水动能转换为涡轮机械能的效率，一般取0.4～0.6;r′为发电机半径。

默认捕获的能量全部转化为发电机的输出功率，发电机的输出功率也可以表示如下：

(2)

式中：E为额定输出电压;R为带载电阻。

根据需要的发电机输出电压，可以确定发电机电子线圈匝数[11]:

(3)

式中：Φ1为气隙合成磁通；N为定子线圈绕组每相匝数；KN为定子绕组系数，一般小于1。

发电机的电枢直径为定子线圈直径加转子厚度和气隙长度，表达如下：

D=2r′=2(r+hr+δ)(4)

式中：D为发电机电枢直径；r为定子线圈半径；hr为转子磁钢高度；δ为发电机气隙大小。其中发电机气隙不能太大或太小，δ太小，转子容易扫定子膛；δ太大，漏磁增大，发电机效率降低，因此，气隙应控制合理数值，一般取δ=0.5～3 mm。

根据式(1)和式(4)，发电机直径可以转换如下式：

(5)

极对数与发电机转速及频率关系如下:

(6)

式中：p为发电机极对数；nh为发电机转子额定转速。

本文设计的涡轮发电机额定功率为15 W，已知钻井液流体额定流速为2 m/s，钻井液密度ρ取水的密度1 000 kg/m3，由式(5)得到的涡轮发电机直径为55 mm，在发电机外径约束下，根据式(1)～式(6)，确定的其它参数如表1所示。

表1 发电机主要参数

3 发电机仿真分析

为了验证设计的发电机是否达到设计要求，在COMSOL中建立如图2所示的外转子旋转磁铁和内定子绕组线圈结构的发电机电磁仿真模型。定义如表1所示的发电机结构参数，设置磁铁剩余磁通密度为1 T，导线截面积设置为1×10-5m2，线圈匝数设置为22匝，定子线圈保持静止，中心部分选用铁心材料，磁化关系选用系统自带的中碳钢B-H曲线来实现，通过边界条件设置发电机的旋转区域为外转子磁片及外壳，并定义外旋转磁片旋转速度，内部电子线圈固定不动。

对建立的模型进行瞬态分析，在0.17 s时对发电机模型的磁通密度分布进行绘制，其磁场密度分布图如图3(a)所示，发电机定子轭部最高磁通密度未达到定子铁心材料的饱和值(铁心材料采用DW310时，该值为1.2 T)。发电机转子在额定转速2 000 r/min时，其感应电动势如图3(b)所示，其波形稳定趋于正弦波，发电机在带载35 Ω时输出幅值为13.2 V，输出功率可计算为14.9 W，证明设计的电机参数较为合理。

(a) 发电机磁通密度分布图

(b) 2 000 r/min时发电机感应电动势

4 样机试验及结果分析

4.1 涡轮发电机样机与测试平台

根据上述涡轮叶片和发电机的结构设计及仿真分析，制作了如图4(a)所示的涡轮发电机样机。发电机前端引流器设计成子弹头式，使得水流能够更大能力地冲击涡轮叶片，尾部的整流稳压电路采用TPS5430 buck电路，发电机的输出经过稳压电路处理后稳定输出5 V直流电。图4(b)为发电机内置定子线圈，采用22匝9槽式结构；图4(c)为发电机内置外转子磁片，采用钕铁硼12片强力瓦形磁片及套圈构成外转子。发电机所有尺寸参数都如表1所示。

(a) 发电机整体实物

(b) 发电机内定子线圈

为测试涡轮发电机能否满足要求，在完成了涡轮发电机样机后，搭建了涡轮发电机系统测量实验平台，实验平台结构如图5所示。该平台通过数控机床的电动机带动涡轮发电机转动，采用六位半数字万用表Agilent 344001A测量发电机的输出电压以及经过整流电路的电压，涡轮发电机负载接入50 Ω可调节的滑动变阻器。

图5 测试系统原理图

4.2 输出电压及功率分析

从小到大调节数控机床电动机的转速，采用隔离通道示波器测得带载20 Ω、转速为2 000 r/min的输出波形，如图6所示，输出波形趋于正弦波，且A，B，C三相对称。采用示波器FFT功能对波形进行分析，测得的谐波分量如图7所示。

图6 发电机样机输出波形

图7 输出波形谐波幅度

通过谐波畸变率THD进行计算，THD越大，谐波含量越大，反之，THD越小，谐波成分越小。计算公式如下：

(7)

式中：Bk为k次谐波幅度值;B1为基波幅度值。

计算得到THD为10.23%，其值较小，说明输出波形谐波含量小，输出比较稳定。采用六位半数字万用表测量发电机空载、带负载20 Ω以及通过整流稳压电路的输出电压，如图8所示。

图8 发电机样机测量曲线图

经过拟合计算得到空载及带载20 Ω输出电压与转速的关系：

y0=0.007n-0.089(8)

y1=0.005n-0.589(9)

式中：y0为空载输出电压；y1为带载20 Ω输出电压。

通过Excel中的RSQ函数分析式(8)、式(9)拟合程度指标R2大于0.996，输出电压与转速呈线性关系。在空载额定转速2 000 r/min下的输出电压为13.1 V与仿真的输出电压13.2 V大致相同，并且空载输出电压明显强于带负载后的输出，这是因为发电机本身存在一定的电阻和电感，使得带载输出电压要小于空载输出电压。发电机输出经过整流稳压处理，在转速大于1 800 r/min时，输出电压保持5 V不变。在额定转速2 000 r/min，测得带载20 Ω的输出电压幅值为9.5 V，根据式(2)得到输出功率为13.6 W，加上电机本身发热消耗的功率，发电机输出功率基本达到预期15 W输出要求。