直驱式六相永磁同步海流发电机的设计及仿真分析

2022-06-14高艺菲朱青云

上海大中型电机 2022年1期

陈哲，高艺菲，谢卫，朱青云

(1. 上海海事大学，上海 200135； 2. 安徽大学，合肥 230039)

0 引言

近年来随着能源消耗与环境污染等问题的日渐严重，对海洋能等清洁能源的开发与利用已经成为世界广泛关注的焦点。海流发电由于其资源丰富、对环境污染较小、利用率高等优点，已成为海洋能发电的主要方式之一。多相发电机与三相发电机相比，增加了定子的相数，可降低相电流来解决并联变流器的环流问题。对于3的倍数相发电机，根据中性点的不同连接方式，可通过绕组串联来实现中压并网，继而解决海流发电系统在低压、大电流情况下电流环不易控制、滤波器压降大的问题[1]。多相发电机还具有转矩波动小、功率密度高、输出功率大、容错性能好等优点[2]。双Y移30°的六相永磁同步发电机在结构上与对称的六相永磁同步发电机相比，电流中不含5次和7次谐波，已经成为未来海流发电机的主要选择之一。

目前对海流发电机的设计工作研究较少。文献[3]对国内外海流发电最新的研究进展情况进行了介绍，并分析了其关键技术。以一台350 kW半直驱海流发电机为例进行电磁方案设计，通过对比选出满足要求的设计方案。文献[4]以230 W、200 r/min低速永磁同步海流发电机为例，对四种不同极数/槽数配合的设计方案进行了对比分析。文献[5]介绍了海流发电机的结构特点以及设计方法，提出了海流发电机设计基本框架。目前虽对多相永磁同步电机原理上的研究已经比较成熟，但是将其运用在海流发电上仍然还处于初步探索阶段，在设计等方面还需进一步深入研究。

本文根据海流发电机的设计特点，以六相双Y移30°绕组的永磁同步发电机为例，基于六相半对称绕组的极数/槽数选取原则，针对不同极数/槽数配合，利用Ansoft RMxprt对其进行相关参数分析。综合各因素，选取了500 kW、20 r/min、78极216槽的六相双Y移30°永磁同步发电机作为研究对象。在Ansoft Maxwell中建立2D模型，仿真分析了空载以及负载情况下的感应电动势、转矩、电流等基本性能。

1 六相永磁同步海流发电机的设计

1．1 海流发电机的设计特点

由式(1)可知，由于海流速度低，最快不到2 m/s，而采用直驱的传动方式，便使得发电机转速很低。

(1)

式中：n为发电机的转速；f为发电机的频率；p为发电机的极对数。

在低转速情况下，如要使得频率不至于太低，电机必须要采用多极设计。由于电机尺寸和转矩近似成正比，直驱式海流发电机转速较低，转矩较大，要保持与高速发电机相同的高功率额定值，便要增大电机尺寸。所以海流发电机这种多极多槽的结构与电枢轴向长度较短的传统电机相比，具有更大的内部电枢直径和相对较短的轴向长度，看起来像是盘式电动机。鉴于此结构特点，海流发电机多采用转子内置式结构。另外，由于海流发电机定、转子之间是依靠贯穿在定、转子间隙的海水来传递能量而并非传统电机那样依靠的是空气，所以海流发电机定、转子之间的间隙相对较大。由于海流发电机在定子和转子之间充满海水，与海水接触的部分不可避免地会被海水腐蚀，因此，海流发电机的防腐要求远高于传统发动机，通常在其表面使用玻璃纤维和环氧材料以改善耐腐蚀性。当然海水的流动也为海流发电机提供了一个很好的散热方式。

目前对海流发电机的设定还没有形成一套完整系统的公式和经验数据曲线，但海流发电机这种圆盘式的结构特点与风力发电机的结构比较相似，而风力发电机的设计相对较为成熟，故可以将风力发电机的一些设计经验运用在海流发电机的设计上。

1．2 海流发电机极数/槽数配合的选取原则

极数/槽数配合是电机设计过程中非常重要的因素，它除了影响电机电动势波形和绕组因数之外，还对永磁同步电机的齿槽转矩产生重大影响。因此，为了提高电机性能，合理选择极数/槽数配合是必不可少的。

六相电机特别是六相半对称绕组电机，对极数/槽数配合所要求的条件相比于三相电机要苛刻得多。由于六相双Y移30°绕组从电机内部看就是十二相系统，所以相带为30°，若要严格的构成六相半对称绕组，就要求在电动势星型图里相邻两个电动势矢量的夹角β能整除30。其中：

(2)

式中：t为单元电机数；Q为定子槽数。

由于永磁同步电机的齿槽转矩会使电机在运转时产生振动与噪声，从而影响电机的控制精度，降低电机的安全性能。齿槽转矩越小则意味着越低的切入海水流速，发电机就可以获得更多的能量，从而提高电机的发电效率[6]。所以在设计极数/槽数配合时要尽可能的降低齿槽转矩。降低齿槽转矩的方法较多，如改变极弧系数、减小定子槽口宽度以及改变永磁体厚度等，这里只介绍极数/槽数配合对降低齿槽转矩的影响。在文献[7]中给出了在不同的极数/槽数配合下齿槽转矩的一个评价因子：

(3)

式中：NC为槽数和极数的最小公倍数。评价因子越小表示在该极数/槽数配合下的齿槽转矩则越小，由于影响齿槽转矩的因素有许多，故该评价因子只能大概的表述极数/槽数配合对齿槽转矩的影响，齿槽转矩的具体大小还和具体的电机设定参数有关，想要得到准确的齿槽转矩大小还必须结合其他的参数计算。

根据上述极数/槽数的选取原则，本文选取了10组极数/槽数配合，并利用RMxprt软件对其进行求解，得到数据如表1所示。

表1 不同极数/槽数配合下的RMxprt数据

综合齿槽转矩和效率等因素，表1中的极数/槽数配合中的78极216槽、84极360槽以及102极216槽相对较好。本文将选取极数/槽数相对较少的78极216槽进行设计、仿真和分析，其设计参数如表2所示。

表2 六相海流永磁同步发的电机基本参数

2 基于有限元的磁场分析

2．1 模型建立

在Ansoft软件RMxprt模块中进行初步计算，然后将RMxprt模块中的模型导入Maxwell 2D环境中，删除自动生成的三相电源，根据图1所示的六相78极216槽定子槽电动势矢量星型图对Maxwell 2D中电机模型的绕组进行重新分相，其中A、B、C为一组，U、V、W为另一组。由于电机尺寸较大，定子槽数有限，为了减小电机外径尺寸，缩小电机体积，故采用短距分数槽绕组接法。利用软件自动生成的边界条件和网格剖分等设置，对模型进行空载与负载情况下的仿真分析。

图1 六相78极216槽定子槽电动势矢量星型图

2．2 空载工作特性分析

空载特性是检验发电机性能的重要指标之一，当海流发电机在额定转速20 r/min的状态下运行时，

通过对气隙磁密、齿槽转矩以及空载感应电动势等分析来验证海流发电机设计的合理性。

图2是六相海流永磁同步发电机空载运行下的磁密云图。从图中可以看出，在空载运行下，各部的磁通密度均没有超过饱和点。磁力线分布很有规律，定子齿中磁密明显大于其余各处，槽中几乎没有磁力线，说明漏磁通非常小，电机的空载漏磁系数很小。图3为电机的空载齿槽转矩，在图3中齿槽转矩的最大值为732.3 N·m，仅占额定转矩的0.30%，由此可见齿槽转矩非常小，从而避免了由于海水切入流速较小，而齿槽转矩较大使得发电机不能正常起动的情况。图4为该发电机的空载感应电动势波形图，从中可以看出波形中虽然含有谐波，但谐波含量都比较小，电压谐波畸变率也仅有1.58%。