直流组网船舶1.99 MW永磁同步发电机研制

周立安，晏才松，邓建华，雷黎明，贾思庆

（1.中车株洲电机有限公司，株洲412001；2.上海中车汉格船舶与海洋工程有限公司，上海200082；3.深圳招商迅隆船务有限公司，深圳518067；4.中国船级社武汉分社，武汉430000）

0 引 言

目前，国内外高端船舶电力推进系统一般采用柴油发动机＋电励磁发电机作为标准的交流组网发电解决方案，柴油发电机组输出50 Hz或60 Hz电能直接给设备使用，供电质量较低，对负载适应性差，在空载和轻负荷情况下增加了燃油损耗和对环境的污染；直流组网由于增加了四象限变频器，没有交流组网对电源频率锁定的要求，发电机组可根据工况需求变速运行，从而机组效率更高，能耗更低，同时也便于实现多机组并网、多能源形式运行，且占用空间更小，成为新一代船舶电力推进系统的发展方向和各国竞相研究的技术热点［1⁃3］。

发电机作为整个船舶的电能提供者，属于电力推进系统的核心部分，素有“动力心脏”之称。受船舶安装空间小，与柴油发动机刚性连接振动大，以及海洋运行环境复杂、船体颠簸等诸多因素的影响，发电机必须适应用电负荷变化大的运行工况，而且要求具备高效率、高可靠性、体积小、功率密度大、环境适应好等技术特点，研制难度大，体现了行业的顶尖技术水平，高技术船舶大容量电励磁主发电机一直被国际巨头企业垄断，并对他国进行了严密的技术封锁。

与传统感应发电机和电励磁发电机相比，永磁发电机依靠永磁材料进行励磁，不需要无功励磁电流，总损耗减少了30%～50%，在继承了传统感应发电机和电励磁发电机优异性能的同时，还兼具了三大优势：一是更适应船舶发动机变速工作模式，低速、轻载工况节能更显著；二是永磁发电机效率曲线更符合船舶用电工况波动大的实际运行状况，以满足船舶节能需求；三是同等功率下永磁发电机较三相电励磁或异步发电机体积小，质量轻，结构简单，维护便捷，外形尺寸更适应船舱狭小空间设备布置需求。因此，永磁发电机是船舶发电领域的理想选择，可以为船舶运行提供一种性能更优和全寿命周期、成本更低的新供电模式，具有广阔的发展和市场应用前景。

近年来，国际社会对低碳经济和节能环保的要求日益提高。虽然永磁电机凭借其高效率、高功率密度、高可靠性、易维护、结构灵活等优点在诸多领域广泛应用，但在直流组网船舶永磁发电领域的技术研究尚处于起步阶段，没有定型产品、可借鉴的成熟研制经验和试验标准，开展船舶永磁发电机研究可促进我国电机本体设计制造、电机控制理论、试验测试技术等多学科领域的进步，提高我国在直流船舶组网电力推进系统领域的自主研发能力和核心竞争力，打破国外核心技术垄断，推动我国高端船舶电力推进系统产品的升级换代和技术创新［4⁃5］。

本文结合直流组网船舶对发电机的总体技术要求，就如何设计适应船舶直流组网柴油发电机组用永磁发电机进行了研究，主要就所研制的直流组网船舶1.99 MW永磁同步发电机（以下简称发电机）总体技术要求、设计难点及关键技术进行分析和说明，最后通过试验结果分析表明，该发电机满足直流组网船舶的要求，验证了其设计的合理性和准确性。

1 总体技术要求

1.1 船舶电力推进系统

配套船舶采用直流组网电力推进技术方案，如图1所示。相比于交流组网电力推进系统有以下优势：

1）柴油发电机组变速运行，更节能、降噪、减排；

2）燃油费用显著降低（最高降低20%）；

3）占地空间减小（最高50%），提高舱容；

4）便于多电源形式接入，支持“即插即用”。

1.2 变频器对发电机要求

变频器对发电机的要求如表1所示。

表1 变频器对发电机要求

1.3 发电机组

发电机定子采用接圈与柴油发动机机壳刚性连接，发电机转子通过高弹与柴油发动机飞轮盘柔性连接，发电机组通过公共底座采用双隔振结构与船体进行固定。

1.4 环境条件

环境空气温度在－15℃～＋48.5℃范围内；应能承受船舶正常营运中所产生的振动和冲击，机组台架试验时的振动烈度有隔振时应不大于45 mm／s，无隔振时应不大于28 mm／s［6］；船舶倾斜摇摆角度：横倾15°，横摇22.5°，纵倾5°，纵摇7.5°，可能同时发生横向和纵向倾斜；应适应潮湿、盐雾、油雾、霉菌及海水环境。

1.5 发电机关键技术要求

发电机关键技术参数如表2所示。

表2 发电机主要技术参数

2 设计难点

2.1 发电机与系统匹配设计

首次将永磁技术运用于直流组网船舶发电领域，且行业内船舶推进系统尚无发电机应用先例，这给发电机与变频器、柴油发动机等的匹配设计带来诸多技术难点。

2.2 热管理及冷却结构难题

发电机为了防止永磁体吸附空气中的灰尘及铁屑而采用全封闭结构，安装在狭小船舱里，环境温度高达48.5℃，散热条件恶劣；同时由于变频器负载带来丰富的谐波，进一步给发电机的温升控制带来更大的难度。发电机冷却却介质为海水，且需满足狭小空间安装维护需求，给发电机冷却结构设计也带来困难。

2.3 小型化、轻量化

发电机体积和质量指标要求高，且受全封闭冷却结构、冷却介质为海水、与柴油发电机组刚性连接及振动冲击运行工况等因素制约，在保证安全可靠前提下进行小型化、轻量化设计具有很大挑战。

2.4 发电机CCS（中国船级社）认证及试验技术

船舶检验规范性文件中没有其相关试验标准，已有的电励磁发电机一些试验项点和方法已不能满足永磁发电机及永磁发电机组的试验需求，给项目的CCS取证、评价及验收带来很大困难。

3 关键技术

3.1 电磁设计

在充分考虑系列化平台设计、变频器峰值电流和空载反电动势限制、空水冷结构及其散热能力基础上，合理选取极数、电磁负荷、转子拓扑结构及气隙长度等关键参数，改善发电机对非正弦波电源和狭小空间的适应能力，使发电机的温升、效率、空载反电动势THD等指标满足技术要求［7⁃8］。

（1）三圆

考虑通用化、研制周期及成本因素，定转子冲片三圆尺寸借用Y系列电机模具。

（2）极数

电机极数越高，线圈端部尺寸越短，定子轭部越短，体积和质量越小，定子冲片槽形和磁钢空间布置就越困难，综合考虑体积、质量、成本等因素，电机极数选择8极。

（3）气隙

增加气隙长度，可减小杂散损耗和抑制谐波损耗，增强过载能力，降低电机振动与噪声，便于电机的装配，更适合振动冲击运行工况，同时可以提高发电机的电能质量和运行稳定性；但也带来了永磁体用量增加、短路电流增大等不利影响。因此，气隙选择应综合考虑性能、成本、装配工艺性及运行工况等因素。

（4）定子

定子采用成型线圈，提高槽满率和刚度，获得比散嵌线圈更高的功率密度和可靠性。定子采用H级耐电晕绝缘结构、斜一个定子齿距、瘦高槽形及增加电感方案，减少变频器带来的不利影响。

（5）转子

永磁电机磁路结构有内置式和表贴式两种。内置式结构虽然漏磁系数高，导致磁钢用量较大，但结构坚固，抗去磁能力强，凸极率高，弱磁范围广且工艺性好，更适合恶劣运行工况，故发电机选取内置式磁路结构。永磁体采用高磁能积和耐温性能较好的稀土材料，利于磁钢有限空间布置及转子冲片应力优化。在充分利用空载反电动势产生电磁转矩的基础上，合理设计磁路结构，对空载气隙磁密波形进行优化，减少空载反电动势谐波含量，充分发挥电机磁阻转矩，降低峰值电流，提高效率。从图2、图3可知，发电机空载反电动势THD小于5%，表明转子磁路结构设计是合理的。

图2 空载线反电动势波形（1 800 r／min）

图3 空载线反电动势傅里叶分析图

3.2 冷却结构

发电机要实现高功率密度、高体积密度，必须选择散热能力好的冷却介质和冷却结构。冷却介质为海水或淡水，优选淡水，便于灵活选择冷却结构。冷却结构有空水冷、水夹克＋外置空水冷、水夹克＋内置自带风扇三种冷却方式。本发电机冷却介质为海水，选取水夹克机座会引起腐蚀和结垢，故采用强迫通风钛合金空水冷却器、定转子铁心轴向分段及径向通风方式，改善发电机的散热能力，有效对定子绝缘、转子磁钢和轴承进行热管理，解决大功率发电机小型化设计散热难题。

冷却系统由内部循环风冷＋冷却器水冷两部分组成。内部风冷系统主要用来冷却发电机的定子绝缘、转子磁钢和轴承，内部热空气通过风机及转子通风道的驱动作用，进入机座顶部的空水冷冷却器进行热交换，由水冷冷却器将发电机产生的热量带走，冷却系统如图4所示。

图4 发电机冷却系统

采用商用有限元软件Fluent对其三维流体场和温度场进行流固耦合仿真计算，图5为发电机额定工况时内部温度场分布云图。

图5 电机内部温度场分布云图

采用Motor⁃CAD软件对瘫船发电机冷却风机失电工况进行温升仿真，考虑更加严酷的运行工况（停风＋停水），电机额定功率运行至稳态温升（图6中0时刻），然后两个风机同时停机（电机内无供风，内循环风量为0），继续以额定工况运行180 s，仿真结果如图6所示。

图6 瘫船至恢复时的温度曲线图

仿真结果表明，空水冷冷却结构满足发电机温升限制要求。

3.3 轻量化设计

电磁设计和冷却结构已采取相应措施，对有效材料质量进行了控制，关键结构件还需在保证安全可靠的前提下进行轻量化设计。在建立模型时，将冷却器、定子绕组、转子简化为集中质量点，对接圈（柴油机端）做固定约束。考虑极限工况，将三相短路转矩、重力G和单边磁拉力F同时作用于铁心内圆表面上，加速度按GB／T 2820.9－2002《往复式内燃机驱动的交流发电机组⁃机械振动的测量和评价》中数值2选取，图7、图8分别为接圈和机座应力仿真应力分布云图，仿真结果表明，其满足所使用材料强度要求，可以在恶劣工况安全可靠运行。

图7 接圈应力云图

图8 机座应力云图

发电机运行过程中激励复杂，变频器负载也会引起丰富的径向力波，必须对其结构进行模态分析，避免与转子、基波径向电磁力波产生共振。发电机前4阶模态振型分别如图9所示，对应的模态数值如表3所示。

图9 发电机四阶模态振型

发电机1.2倍额定转速2 160 r／min，转子转动机械频率36 Hz；发电机额定频率120 Hz，基波电磁径向力波频率240 Hz。从表3可知，发电机的模态固有频率与转子转动机械频率、基波电磁径向力波频率不重合且相差40%以上，表明发电机不会产生共振。

表3 发电机模态固有频率

3.4 发电机CCS试验

联合CCS、系统商及船厂对发电机试验技术进行研究和讨论，针对发电机的应用特点，在既有发电机试验项点基础上，消化吸收GB／T25123.4－2015标准中的相关项点，建立适用于船舶永磁发电机的试验评价标准，解决永磁发电机试验、取证及验收的难题。永磁发电机与电励磁发电机CCS取证试验项点差异性如表4所示，其余项点要求一致［9⁃10］。

表4 试验项点差异性对比表

4 试验结果

样机试制完成后，根据CCS，GB等相关行业标准及技术规范编制发电机试验大纲，对其进行了例行试验、型式试验、柴发机组试验、地面联调试验、系泊试验、海试试验。发电机型式试验结果与项目指标对比如表5所示，发电机组振动试验结果和项目

?

表5 发电机型式试验结果和项目指标对比指标对比如表6所示，发电机型式试验和发电机组振动试验照片分别如图10、图11所示。

表6 发电机组振动试验结果和项目指标对比

图10 型式试验照片

图11 发电机组试验试验照片

试验结果表明，样机在效率、温升、噪声、振动及质量等方面明显优于项目要求指标。该发电机实际运行至今，各项指标优异，状态良好，完全满足项目要求，表明该电机的设计开发是成功的。

5 结 语

本样机的成功研制表明，我国已基本掌握了直流组网船舶发电机的关键技术，打破了发达国家的技术垄断，填补了行业在该领域技术研究的空白，该发电机具有结构简单、全域效率高、可靠性高、体积小、维护量少等诸多优点，为船舶运行电力推进系统提供了一种性能更优和全寿命周期成本更低的新供电模式，为永磁技术在民用高技术船舶和军用船舶发电机组中的应用推广提供了参考意见，也为我国船舶电力推进系统产品的技术创新和升级换代奠定了坚实的基础。