基于大口径水表的性能优化与应用研究

张文斌 马燕 陈如华 郭勇 吕强

摘要：在过去的短短几年时间里，永磁发电装置技术的使用得到了大范围的普及，尤其是稀土永磁技术，该技术的发电装置具备运行可靠，结构简单等特征;同时其优点也十分显著，为了使整个系统的体积变小，性能提升，发电装置就可以使用高速永磁中频同步发电来实现这一目标。目前，由于市场上出售的水表类型繁多、价格存在差异，因此如何选择一个价格适中、性能良好、计量精准的水表已经成為当前供水企业面临的难题之一[1]。其中，在设计永磁同步发电装置时，选取合适的转子是十分关键的部分。该论文从智慧城市大口径水表无线远传数据采集及发射终端供电装置的研发与推广角度出发，针对于大口径水表远传终端供电中的永磁转子发电装置系统制定相应的计划，首先表明装置的使用原理，其次结合图片的内容详细的介绍该系统内部的构造，最后根据永磁转子发电装置系统的功能开展相应的调查研究，希望通过这篇论文能够给这一领域的研究提供一定的参考价值[2]。

关键词：永磁转子发电装置;大口径水表;

中图分类号： TU991.63     文献标志码：A

大口径水表的应用原理

水表是供水企业实现贸易结算的重要仪器，其本身属于物联网的终端，是用户和供水企业之间沟通交流的渠道。只有千家万户的水表运行稳定、指数精准、计量方式科学，才能保障供水企业的计量工作顺利进行。生活中通常还会出现“二八”现象， 指的就是大口径水表仅仅只占据了百分之二十，却承担着百分之八十的水量计量任务，由此可以看出，大口径水表技术的应用和推广十分重要。在供水管道水流的作用下推动叶轮带动发电装置永磁转子实现发电的功能，为水表数据的远传终端与采集模块供电，真正解决水表井内潮湿环境下利用自带电池在实现远传终端与数据采集时资源受到限制的问题。

大口径水表的应用领域

由于各类大口径水表的构造不同，在流量性能上也存在一定的差异，无论是哪种类型的计量仪表都会存在缺陷与局限性的问题;在选择水表时应遵循“没有最好的，只有最合适的”理念，科学合理的进行选择。在使用水表时，应与该地区的实际情况相结合，还要充分考虑用户的用水特征和水表的计量特征[3]。

（1）针对于供水干线上计量所用到的水表，其通常情况下都是在流量高区运行，在流量比较平稳时，要考虑到选择一种压力损失小，流通能力大的水表;位于流量不高的区域，水表基本不会实现计量功能，由于该地区本身对流量的范围就没有过高的要求，因此在选择水表时则不需要过多地考虑始动流量、最小流量的因素，基于这种情况，可以采用超声水表、电磁水表以及WPHD水平螺翼式水表[4]。

（2）针对于家用、事业单位及工矿企业，在供水管道上安置的贸易结算型水表，由于流量的变化跌宕起伏，稍大一点的压力损失也不会对正常的供水产生影响，基于这种情况，就可以选择使用WS垂直螺翼式水表;而针对于安装表前滤水器的要求就可以采用WPHD水平螺翼式水表;相对于工矿企业来说，那些重点用水的工程和用水大户就可以选择超声波水表与电磁水表[5]。

（3）LXS50～150旋翼式水表是我国第一代大口径水表，该水表所有技术经济指标都已经被WS垂直螺翼式等水表领先，现如今各个地区安装的LXS50～150旋翼式水表已逐步被尺寸与之相同的WS垂直螺翼式等水表所代替[6]。

项目背景介绍

现如今，自动抄表系统在供电领域也得到大面积地推广和普及，大口径水表一般情况下都安置在水表井中，井里的环境潮湿，交流电源不能引入，在水表井中用电设备被分成的两个部分，分别是远传发射终端和数据采集，因为安装环境受限，远传终端供电以及数据采集的功能仅仅依靠电池供电才能实现。基于该情况，在设计远传设备时，一方面需要考虑到电池的容量，另一方面还需尽可能地降低设备的能源消耗。

（一）参数设计

作者研究了一种有效利用供水管道水流生成的能量推动叶轮带动永磁发电转子实现发电功能的设备，为水表提供远程终端供电和数据采集，图1清晰地反映出了该设备的设计参数：

图2是设备在运行阶段生成的波形图，其中纵轴所表示的是转矩，横轴则表示的是机械角度，单位： N.M。在受到永磁转子同步运作的影响下，就会生成相应的转矩波，以下为永磁转子发电设备在同步转速稳定运行状态下的电压方程：

图3为发电装置外壳参数设计，下端设计为M20*2的螺纹与管道通过内螺纹紧连接，直径为40的内腔体装配有永磁转子部件，永磁转子与叶轮穿过3mm的传动轴伸入管道内壁。

（二）功能与外观设计

1、永磁转子

一种被应用于电动机的转子则被称之为永磁磁环，磁环充磁为多极性（12极）。其基本构造为永磁磁环包裹定子铁芯线圈，永磁磁环磁力线穿过隔套作用于定子铁芯线圈，定子铁芯线圈切割磁力线产生感应电动势，下面则是电动机的电磁功率计算公式：

除以发电装置的机械角度速度就能够获得发电装置的电磁转矩：

2、定子

定子是由铁芯和线圈组成，铁芯是具有9槽的矽钢片叠压构成，铁芯的每个凸台上缠有线圈绕组，从而形成9组线圈。该线圈均匀分布，分别每3组为一相，共组成三相。由于永磁转子的旋转，在定子线圈上感应出电动势。定子置于隔套内定子槽中，由于该定子线圈上设置了多个通槽，一方面减少热量的产生，另一方面聚集更多的磁力线，其基本框架简单，生产成本不高，装配方便操作。图4为定子、转子及外壳的装配半剖视图。

（三）电池设计

远传终端应用了每隔4个小时发送一次的定时发送以及降低发送数据量的方案，在发送结束后保持休眠的状态，在第二次发送时重新启动该设备，采用这种方法最多能够使用两年。数据采集模块始终处于一种全封闭的状态，在电池的能源被消耗掉后，就需要对整体进行更换。倘若传输的信号非常弱时，设备则不能保持在休眠的状态，这种情况下电量会消耗的更多。

（四）外观设计

该装置由两部分构成，分别是发电整流组件与动力组件。动力组件由永磁转子、叶轮及定子组件组成。

图6叶轮采用ABS工程塑料，三个叶片呈120°均匀分布，内孔设计3mm，图7为管道，，共有3段组成，左右两端与中间穿叶轮的管道通过法兰密封连接，左端为进水口，右端为出水口。

隔套和端蓋采用工程塑料ABS，图4中阐述定子置于隔套内定子槽中，永磁转子置于转子外壳中，该组件通过传动轴与转子外壳连接，传动轴端部穿有叶轮并穿过管道，端盖与隔套通过M3*35的内六角沉头螺丝紧固。

四、试验结论

该项目通过发电装置在高速运行状态下的损耗实验得出，由于电源端输出的频率为50赫兹，是规范的正弦波，基于这种情况则可以选择瓦特表检测输出的电功率，但这一过程我们需要考虑到的是由于发电装置本身的功率就不是很大，在使用瓦特表进行检测时检测的功率应减去变频器自身消耗的电功率，这样才能获得发电装置输出的实际功率，具体的关系图如下：

结语

永磁转子发电装置与我们日常的生活息息相关，在供应动力与电力的基础上，发电装置在生产和制造方面都耗费了大量的原材料与能源，倘若可以提升发电装置的功率密度与转矩密度，就能够节省大量的原材料，减少能源的消耗，对国民经济的可持续发展具有重要意义。笔者在日后的设计过程中会从节约原料的角度进行深度分析和研究。

参考文献

[1]刘光伟。高速永磁外转子爪极发电装置研究[D]。沈阳工业大学，2015。

[2]封宁君。磁齿轮及磁场调制永磁发电装置在海洋能发电系统的应用研究[D]。东南大学，2018。

[3]耿伟伟，张卓然。新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心发电装置设计与分析[J]。电工技术学报，2015，3014：130-137。

[4]贡德鹏。中低速电动汽车用直驱永磁轮毂发电装置设计与研究[D]。太原科技大学，2016。

[5]岳智珉，朱蕾丽。大口径水表技术分析和应用[J]。中国建设信息化，2019，12：76-77。

[6]郦红英，王培永，林圳钇。大口径水表性能及应用的研究[J]。城镇供水，2017，03：28-32+42。

简介作者：张文斌（1970- ），男，工程师，学士，研究方向：机电一体化

通信作者：马燕（1980-  ），女，工程师，研究方向;电子技术