基于大口徑水表的性能優(yōu)化與應(yīng)用研究

張文斌 馬燕 陳如華 郭勇 呂強(qiáng)

摘要：在過去的短短幾年時(shí)間里，永磁發(fā)電裝置技術(shù)的使用得到了大范圍的普及，尤其是稀土永磁技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)電裝置具備運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特征;同時(shí)其優(yōu)點(diǎn)也十分顯著，為了使整個(gè)系統(tǒng)的體積變小，性能提升，發(fā)電裝置就可以使用高速永磁中頻同步發(fā)電來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。目前，由于市場(chǎng)上出售的水表類型繁多、價(jià)格存在差異，因此如何選擇一個(gè)價(jià)格適中、性能良好、計(jì)量精準(zhǔn)的水表已經(jīng)成為當(dāng)前供水企業(yè)面臨的難題之一[1]。其中，在設(shè)計(jì)永磁同步發(fā)電裝置時(shí)，選取合適的轉(zhuǎn)子是十分關(guān)鍵的部分。該論文從智慧城市大口徑水表無線遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)采集及發(fā)射終端供電裝置的研發(fā)與推廣角度出發(fā)，針對(duì)于大口徑水表遠(yuǎn)傳終端供電中的永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電裝置系統(tǒng)制定相應(yīng)的計(jì)劃，首先表明裝置的使用原理，其次結(jié)合圖片的內(nèi)容詳細(xì)的介紹該系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)造，最后根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電裝置系統(tǒng)的功能開展相應(yīng)的調(diào)查研究，希望通過這篇論文能夠給這一領(lǐng)域的研究提供一定的參考價(jià)值[2]。

關(guān)鍵詞：永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電裝置;大口徑水表;

中圖分類號(hào)： TU991.63???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

大口徑水表的應(yīng)用原理

水表是供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)貿(mào)易結(jié)算的重要儀器，其本身屬于物聯(lián)網(wǎng)的終端，是用戶和供水企業(yè)之間溝通交流的渠道。只有千家萬戶的水表運(yùn)行穩(wěn)定、指數(shù)精準(zhǔn)、計(jì)量方式科學(xué)，才能保障供水企業(yè)的計(jì)量工作順利進(jìn)行。生活中通常還會(huì)出現(xiàn)“二八”現(xiàn)象， 指的就是大口徑水表僅僅只占據(jù)了百分之二十，卻承擔(dān)著百分之八十的水量計(jì)量任務(wù)，由此可以看出，大口徑水表技術(shù)的應(yīng)用和推廣十分重要。在供水管道水流的作用下推動(dòng)葉輪帶動(dòng)發(fā)電裝置永磁轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)發(fā)電的功能，為水表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳終端與采集模塊供電，真正解決水表井內(nèi)潮濕環(huán)境下利用自帶電池在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳終端與數(shù)據(jù)采集時(shí)資源受到限制的問題。

大口徑水表的應(yīng)用領(lǐng)域

由于各類大口徑水表的構(gòu)造不同，在流量性能上也存在一定的差異，無論是哪種類型的計(jì)量?jī)x表都會(huì)存在缺陷與局限性的問題;在選擇水表時(shí)應(yīng)遵循“沒有最好的，只有最合適的”理念，科學(xué)合理的進(jìn)行選擇。在使用水表時(shí)，應(yīng)與該地區(qū)的實(shí)際情況相結(jié)合，還要充分考慮用戶的用水特征和水表的計(jì)量特征[3]。

（1）針對(duì)于供水干線上計(jì)量所用到的水表，其通常情況下都是在流量高區(qū)運(yùn)行，在流量比較平穩(wěn)時(shí)，要考慮到選擇一種壓力損失小，流通能力大的水表;位于流量不高的區(qū)域，水表基本不會(huì)實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能，由于該地區(qū)本身對(duì)流量的范圍就沒有過高的要求，因此在選擇水表時(shí)則不需要過多地考慮始動(dòng)流量、最小流量的因素，基于這種情況，可以采用超聲水表、電磁水表以及WPHD水平螺翼式水表[4]。

（2）針對(duì)于家用、事業(yè)單位及工礦企業(yè)，在供水管道上安置的貿(mào)易結(jié)算型水表，由于流量的變化跌宕起伏，稍大一點(diǎn)的壓力損失也不會(huì)對(duì)正常的供水產(chǎn)生影響，基于這種情況，就可以選擇使用WS垂直螺翼式水表;而針對(duì)于安裝表前濾水器的要求就可以采用WPHD水平螺翼式水表;相對(duì)于工礦企業(yè)來說，那些重點(diǎn)用水的工程和用水大戶就可以選擇超聲波水表與電磁水表[5]。

（3）LXS50～150旋翼式水表是我國(guó)第一代大口徑水表，該水表所有技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都已經(jīng)被WS垂直螺翼式等水表領(lǐng)先，現(xiàn)如今各個(gè)地區(qū)安裝的LXS50～150旋翼式水表已逐步被尺寸與之相同的WS垂直螺翼式等水表所代替[6]。

項(xiàng)目背景介紹

現(xiàn)如今，自動(dòng)抄表系統(tǒng)在供電領(lǐng)域也得到大面積地推廣和普及，大口徑水表一般情況下都安置在水表井中，井里的環(huán)境潮濕，交流電源不能引入，在水表井中用電設(shè)備被分成的兩個(gè)部分，分別是遠(yuǎn)傳發(fā)射終端和數(shù)據(jù)采集，因?yàn)榘惭b環(huán)境受限，遠(yuǎn)傳終端供電以及數(shù)據(jù)采集的功能僅僅依靠電池供電才能實(shí)現(xiàn)?；谠撉闆r，在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)傳設(shè)備時(shí)，一方面需要考慮到電池的容量，另一方面還需盡可能地降低設(shè)備的能源消耗。

（一）參數(shù)設(shè)計(jì)

作者研究了一種有效利用供水管道水流生成的能量推動(dòng)葉輪帶動(dòng)永磁發(fā)電轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能的設(shè)備，為水表提供遠(yuǎn)程終端供電和數(shù)據(jù)采集，圖1清晰地反映出了該設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)：

圖2是設(shè)備在運(yùn)行階段生成的波形圖，其中縱軸所表示的是轉(zhuǎn)矩，橫軸則表示的是機(jī)械角度，單位： N.M。在受到永磁轉(zhuǎn)子同步運(yùn)作的影響下，就會(huì)生成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波，以下為永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電設(shè)備在同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電壓方程：

圖3為發(fā)電裝置外殼參數(shù)設(shè)計(jì)，下端設(shè)計(jì)為M20*2的螺紋與管道通過內(nèi)螺紋緊連接，直徑為40的內(nèi)腔體裝配有永磁轉(zhuǎn)子部件，永磁轉(zhuǎn)子與葉輪穿過3mm的傳動(dòng)軸伸入管道內(nèi)壁。

（二）功能與外觀設(shè)計(jì)

1、永磁轉(zhuǎn)子

一種被應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則被稱之為永磁磁環(huán)，磁環(huán)充磁為多極性（12極）。其基本構(gòu)造為永磁磁環(huán)包裹定子鐵芯線圈，永磁磁環(huán)磁力線穿過隔套作用于定子鐵芯線圈，定子鐵芯線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，下面則是電動(dòng)機(jī)的電磁功率計(jì)算公式：

除以發(fā)電裝置的機(jī)械角度速度就能夠獲得發(fā)電裝置的電磁轉(zhuǎn)矩：

2、定子

定子是由鐵芯和線圈組成，鐵芯是具有9槽的矽鋼片疊壓構(gòu)成，鐵芯的每個(gè)凸臺(tái)上纏有線圈繞組，從而形成9組線圈。該線圈均勻分布，分別每3組為一相，共組成三相。由于永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，在定子線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。定子置于隔套內(nèi)定子槽中，由于該定子線圈上設(shè)置了多個(gè)通槽，一方面減少熱量的產(chǎn)生，另一方面聚集更多的磁力線，其基本框架簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本不高，裝配方便操作。圖4為定子、轉(zhuǎn)子及外殼的裝配半剖視圖。

（三）電池設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)傳終端應(yīng)用了每隔4個(gè)小時(shí)發(fā)送一次的定時(shí)發(fā)送以及降低發(fā)送數(shù)據(jù)量的方案，在發(fā)送結(jié)束后保持休眠的狀態(tài)，在第二次發(fā)送時(shí)重新啟動(dòng)該設(shè)備，采用這種方法最多能夠使用兩年。數(shù)據(jù)采集模塊始終處于一種全封閉的狀態(tài)，在電池的能源被消耗掉后，就需要對(duì)整體進(jìn)行更換。倘若傳輸?shù)男盘?hào)非常弱時(shí)，設(shè)備則不能保持在休眠的狀態(tài)，這種情況下電量會(huì)消耗的更多。

（四）外觀設(shè)計(jì)

該裝置由兩部分構(gòu)成，分別是發(fā)電整流組件與動(dòng)力組件。動(dòng)力組件由永磁轉(zhuǎn)子、葉輪及定子組件組成。

圖6葉輪采用ABS工程塑料，三個(gè)葉片呈120°均勻分布，內(nèi)孔設(shè)計(jì)3mm，圖7為管道，，共有3段組成，左右兩端與中間穿葉輪的管道通過法蘭密封連接，左端為進(jìn)水口，右端為出水口。

隔套和端蓋采用工程塑料ABS，圖4中闡述定子置于隔套內(nèi)定子槽中，永磁轉(zhuǎn)子置于轉(zhuǎn)子外殼中，該組件通過傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)子外殼連接，傳動(dòng)軸端部穿有葉輪并穿過管道，端蓋與隔套通過M3*35的內(nèi)六角沉頭螺絲緊固。

四、試驗(yàn)結(jié)論

該項(xiàng)目通過發(fā)電裝置在高速運(yùn)行狀態(tài)下的損耗實(shí)驗(yàn)得出，由于電源端輸出的頻率為50赫茲，是規(guī)范的正弦波，基于這種情況則可以選擇瓦特表檢測(cè)輸出的電功率，但這一過程我們需要考慮到的是由于發(fā)電裝置本身的功率就不是很大，在使用瓦特表進(jìn)行檢測(cè)時(shí)檢測(cè)的功率應(yīng)減去變頻器自身消耗的電功率，這樣才能獲得發(fā)電裝置輸出的實(shí)際功率，具體的關(guān)系圖如下：

結(jié)語

永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電裝置與我們?nèi)粘５纳钕⑾⑾嚓P(guān)，在供應(yīng)動(dòng)力與電力的基礎(chǔ)上，發(fā)電裝置在生產(chǎn)和制造方面都耗費(fèi)了大量的原材料與能源，倘若可以提升發(fā)電裝置的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度，就能夠節(jié)省大量的原材料，減少能源的消耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。筆者在日后的設(shè)計(jì)過程中會(huì)從節(jié)約原料的角度進(jìn)行深度分析和研究。

參考文獻(xiàn)

[1]劉光偉。高速永磁外轉(zhuǎn)子爪極發(fā)電裝置研究[D]。沈陽工業(yè)大學(xué)，2015。

[2]封寧君。磁齒輪及磁場(chǎng)調(diào)制永磁發(fā)電裝置在海洋能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D]。東南大學(xué)，2018。

[3]耿偉偉，張卓然。新型外轉(zhuǎn)子Halbach永磁陣列定子無鐵心發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與分析[J]。電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，3014：130-137。

[4]貢德鵬。中低速電動(dòng)汽車用直驅(qū)永磁輪轂發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與研究[D]。太原科技大學(xué)，2016。

[5]岳智珉，朱蕾麗。大口徑水表技術(shù)分析和應(yīng)用[J]。中國(guó)建設(shè)信息化，2019，12：76-77。

[6]酈紅英，王培永，林圳釔。大口徑水表性能及應(yīng)用的研究[J]。城鎮(zhèn)供水，2017，03：28-32+42。

簡(jiǎn)介作者：張文斌（1970- ），男，工程師，學(xué)士，研究方向：機(jī)電一體化

通信作者：馬燕（1980-? ），女，工程師，研究方向;電子技術(shù)