直流組網(wǎng)船舶1.99 MW永磁同步發(fā)電機(jī)研制

周立安，晏才松，鄧建華，雷黎明，賈思慶

（1.中車株洲電機(jī)有限公司，株洲412001；2.上海中車漢格船舶與海洋工程有限公司，上海200082；3.深圳招商迅隆船務(wù)有限公司，深圳518067；4.中國(guó)船級(jí)社武漢分社，武漢430000）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外高端船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)＋電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)的交流組網(wǎng)發(fā)電解決方案，柴油發(fā)電機(jī)組輸出50 Hz或60 Hz電能直接給設(shè)備使用，供電質(zhì)量較低，對(duì)負(fù)載適應(yīng)性差，在空載和輕負(fù)荷情況下增加了燃油損耗和對(duì)環(huán)境的污染；直流組網(wǎng)由于增加了四象限變頻器，沒有交流組網(wǎng)對(duì)電源頻率鎖定的要求，發(fā)電機(jī)組可根據(jù)工況需求變速運(yùn)行，從而機(jī)組效率更高，能耗更低，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)組并網(wǎng)、多能源形式運(yùn)行，且占用空間更小，成為新一代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向和各國(guó)競(jìng)相研究的技術(shù)熱點(diǎn)［1?3］。

發(fā)電機(jī)作為整個(gè)船舶的電能提供者，屬于電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部分，素有“動(dòng)力心臟”之稱。受船舶安裝空間小，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接振動(dòng)大，以及海洋運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、船體顛簸等諸多因素的影響，發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)用電負(fù)荷變化大的運(yùn)行工況，而且要求具備高效率、高可靠性、體積小、功率密度大、環(huán)境適應(yīng)好等技術(shù)特點(diǎn)，研制難度大，體現(xiàn)了行業(yè)的頂尖技術(shù)水平，高技術(shù)船舶大容量電勵(lì)磁主發(fā)電機(jī)一直被國(guó)際巨頭企業(yè)壟斷，并對(duì)他國(guó)進(jìn)行了嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。

與傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比，永磁發(fā)電機(jī)依靠永磁材料進(jìn)行勵(lì)磁，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，總損耗減少了30%～50%，在繼承了傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)優(yōu)異性能的同時(shí)，還兼具了三大優(yōu)勢(shì)：一是更適應(yīng)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)變速工作模式，低速、輕載工況節(jié)能更顯著；二是永磁發(fā)電機(jī)效率曲線更符合船舶用電工況波動(dòng)大的實(shí)際運(yùn)行狀況，以滿足船舶節(jié)能需求；三是同等功率下永磁發(fā)電機(jī)較三相電勵(lì)磁或異步發(fā)電機(jī)體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)便捷，外形尺寸更適應(yīng)船艙狹小空間設(shè)備布置需求。因此，永磁發(fā)電機(jī)是船舶發(fā)電領(lǐng)域的理想選擇，可以為船舶運(yùn)行提供一種性能更優(yōu)和全壽命周期、成本更低的新供電模式，具有廣闊的發(fā)展和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

近年來(lái)，國(guó)際社會(huì)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能環(huán)保的要求日益提高。雖然永磁電機(jī)憑借其高效率、高功率密度、高可靠性、易維護(hù)、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點(diǎn)在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在直流組網(wǎng)船舶永磁發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)研究尚處于起步階段，沒有定型產(chǎn)品、可借鑒的成熟研制經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，開展船舶永磁發(fā)電機(jī)研究可促進(jìn)我國(guó)電機(jī)本體設(shè)計(jì)制造、電機(jī)控制理論、試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的進(jìn)步，提高我國(guó)在直流船舶組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域的自主研發(fā)能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，打破國(guó)外核心技術(shù)壟斷，推動(dòng)我國(guó)高端船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品的升級(jí)換代和技術(shù)創(chuàng)新［4?5］。

本文結(jié)合直流組網(wǎng)船舶對(duì)發(fā)電機(jī)的總體技術(shù)要求，就如何設(shè)計(jì)適應(yīng)船舶直流組網(wǎng)柴油發(fā)電機(jī)組用永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，主要就所研制的直流組網(wǎng)船舶1.99 MW永磁同步發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī)）總體技術(shù)要求、設(shè)計(jì)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和說(shuō)明，最后通過試驗(yàn)結(jié)果分析表明，該發(fā)電機(jī)滿足直流組網(wǎng)船舶的要求，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性。

1 總體技術(shù)要求

1.1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

配套船舶采用直流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)方案，如圖1所示。相比于交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：

1）柴油發(fā)電機(jī)組變速運(yùn)行，更節(jié)能、降噪、減排；

2）燃油費(fèi)用顯著降低（最高降低20%）；

3）占地空間減小（最高50%），提高艙容；

4）便于多電源形式接入，支持“即插即用”。

1.2 變頻器對(duì)發(fā)電機(jī)要求

變頻器對(duì)發(fā)電機(jī)的要求如表1所示。

表1 變頻器對(duì)發(fā)電機(jī)要求

1.3 發(fā)電機(jī)組

發(fā)電機(jī)定子采用接圈與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼剛性連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過高彈與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪盤柔性連接，發(fā)電機(jī)組通過公共底座采用雙隔振結(jié)構(gòu)與船體進(jìn)行固定。

1.4 環(huán)境條件

環(huán)境空氣溫度在－15℃～＋48.5℃范圍內(nèi)；應(yīng)能承受船舶正常營(yíng)運(yùn)中所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，機(jī)組臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)烈度有隔振時(shí)應(yīng)不大于45 mm／s，無(wú)隔振時(shí)應(yīng)不大于28 mm／s［6］；船舶傾斜搖擺角度：橫傾15°，橫搖22.5°，縱傾5°，縱搖7.5°，可能同時(shí)發(fā)生橫向和縱向傾斜；應(yīng)適應(yīng)潮濕、鹽霧、油霧、霉菌及海水環(huán)境。

1.5 發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)要求

發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

首次將永磁技術(shù)運(yùn)用于直流組網(wǎng)船舶發(fā)電領(lǐng)域，且行業(yè)內(nèi)船舶推進(jìn)系統(tǒng)尚無(wú)發(fā)電機(jī)應(yīng)用先例，這給發(fā)電機(jī)與變頻器、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等的匹配設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 熱管理及冷卻結(jié)構(gòu)難題

發(fā)電機(jī)為了防止永磁體吸附空氣中的灰塵及鐵屑而采用全封閉結(jié)構(gòu)，安裝在狹小船艙里，環(huán)境溫度高達(dá)48.5℃，散熱條件惡劣；同時(shí)由于變頻器負(fù)載帶來(lái)豐富的諧波，進(jìn)一步給發(fā)電機(jī)的溫升控制帶來(lái)更大的難度。發(fā)電機(jī)冷卻卻介質(zhì)為海水，且需滿足狹小空間安裝維護(hù)需求，給發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也帶來(lái)困難。

2.3 小型化、輕量化

發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量指標(biāo)要求高，且受全封閉冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)為海水、與柴油發(fā)電機(jī)組剛性連接及振動(dòng)沖擊運(yùn)行工況等因素制約，在保證安全可靠前提下進(jìn)行小型化、輕量化設(shè)計(jì)具有很大挑戰(zhàn)。

2.4 發(fā)電機(jī)CCS（中國(guó)船級(jí)社）認(rèn)證及試驗(yàn)技術(shù)

船舶檢驗(yàn)規(guī)范性文件中沒有其相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，已有的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)一些試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)和方法已不能滿足永磁發(fā)電機(jī)及永磁發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)需求，給項(xiàng)目的CCS取證、評(píng)價(jià)及驗(yàn)收帶來(lái)很大困難。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電磁設(shè)計(jì)

在充分考慮系列化平臺(tái)設(shè)計(jì)、變頻器峰值電流和空載反電動(dòng)勢(shì)限制、空水冷結(jié)構(gòu)及其散熱能力基礎(chǔ)上，合理選取極數(shù)、電磁負(fù)荷、轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及氣隙長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)，改善發(fā)電機(jī)對(duì)非正弦波電源和狹小空間的適應(yīng)能力，使發(fā)電機(jī)的溫升、效率、空載反電動(dòng)勢(shì)THD等指標(biāo)滿足技術(shù)要求［7?8］。

（1）三圓

考慮通用化、研制周期及成本因素，定轉(zhuǎn)子沖片三圓尺寸借用Y系列電機(jī)模具。

（2）極數(shù)

電機(jī)極數(shù)越高，線圈端部尺寸越短，定子軛部越短，體積和質(zhì)量越小，定子沖片槽形和磁鋼空間布置就越困難，綜合考慮體積、質(zhì)量、成本等因素，電機(jī)極數(shù)選擇8極。

（3）氣隙

增加氣隙長(zhǎng)度，可減小雜散損耗和抑制諧波損耗，增強(qiáng)過載能力，降低電機(jī)振動(dòng)與噪聲，便于電機(jī)的裝配，更適合振動(dòng)沖擊運(yùn)行工況，同時(shí)可以提高發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性；但也帶來(lái)了永磁體用量增加、短路電流增大等不利影響。因此，氣隙選擇應(yīng)綜合考慮性能、成本、裝配工藝性及運(yùn)行工況等因素。

（4）定子

定子采用成型線圈，提高槽滿率和剛度，獲得比散嵌線圈更高的功率密度和可靠性。定子采用H級(jí)耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)、斜一個(gè)定子齒距、瘦高槽形及增加電感方案，減少變頻器帶來(lái)的不利影響。

（5）轉(zhuǎn)子

永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)有內(nèi)置式和表貼式兩種。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)雖然漏磁系數(shù)高，導(dǎo)致磁鋼用量較大，但結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗去磁能力強(qiáng)，凸極率高，弱磁范圍廣且工藝性好，更適合惡劣運(yùn)行工況，故發(fā)電機(jī)選取內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。永磁體采用高磁能積和耐溫性能較好的稀土材料，利于磁鋼有限空間布置及轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力優(yōu)化。在充分利用空載反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)，對(duì)空載氣隙磁密波形進(jìn)行優(yōu)化，減少空載反電動(dòng)勢(shì)諧波含量，充分發(fā)揮電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，降低峰值電流，提高效率。從圖2、圖3可知，發(fā)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)THD小于5%，表明轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

圖2 空載線反電動(dòng)勢(shì)波形（1 800 r／min）

圖3 空載線反電動(dòng)勢(shì)傅里葉分析圖

3.2 冷卻結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)高功率密度、高體積密度，必須選擇散熱能力好的冷卻介質(zhì)和冷卻結(jié)構(gòu)。冷卻介質(zhì)為海水或淡水，優(yōu)選淡水，便于靈活選擇冷卻結(jié)構(gòu)。冷卻結(jié)構(gòu)有空水冷、水夾克＋外置空水冷、水夾克＋內(nèi)置自帶風(fēng)扇三種冷卻方式。本發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)為海水，選取水夾克機(jī)座會(huì)引起腐蝕和結(jié)垢，故采用強(qiáng)迫通風(fēng)鈦合金空水冷卻器、定轉(zhuǎn)子鐵心軸向分段及徑向通風(fēng)方式，改善發(fā)電機(jī)的散熱能力，有效對(duì)定子絕緣、轉(zhuǎn)子磁鋼和軸承進(jìn)行熱管理，解決大功率發(fā)電機(jī)小型化設(shè)計(jì)散熱難題。

冷卻系統(tǒng)由內(nèi)部循環(huán)風(fēng)冷＋冷卻器水冷兩部分組成。內(nèi)部風(fēng)冷系統(tǒng)主要用來(lái)冷卻發(fā)電機(jī)的定子絕緣、轉(zhuǎn)子磁鋼和軸承，內(nèi)部熱空氣通過風(fēng)機(jī)及轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的驅(qū)動(dòng)作用，進(jìn)入機(jī)座頂部的空水冷冷卻器進(jìn)行熱交換，由水冷冷卻器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走，冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)

采用商用有限元軟件Fluent對(duì)其三維流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算，圖5為發(fā)電機(jī)額定工況時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖。

圖5 電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖

采用Motor?CAD軟件對(duì)癱船發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)失電工況進(jìn)行溫升仿真，考慮更加嚴(yán)酷的運(yùn)行工況（停風(fēng)＋停水），電機(jī)額定功率運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)溫升（圖6中0時(shí)刻），然后兩個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)停機(jī)（電機(jī)內(nèi)無(wú)供風(fēng)，內(nèi)循環(huán)風(fēng)量為0），繼續(xù)以額定工況運(yùn)行180 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 癱船至恢復(fù)時(shí)的溫度曲線圖

仿真結(jié)果表明，空水冷冷卻結(jié)構(gòu)滿足發(fā)電機(jī)溫升限制要求。

3.3 輕量化設(shè)計(jì)

電磁設(shè)計(jì)和冷卻結(jié)構(gòu)已采取相應(yīng)措施，對(duì)有效材料質(zhì)量進(jìn)行了控制，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件還需在保證安全可靠的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。在建立模型時(shí)，將冷卻器、定子繞組、轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量點(diǎn)，對(duì)接圈（柴油機(jī)端）做固定約束。考慮極限工況，將三相短路轉(zhuǎn)矩、重力G和單邊磁拉力F同時(shí)作用于鐵心內(nèi)圓表面上，加速度按GB／T 2820.9－2002《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組?機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)價(jià)》中數(shù)值2選取，圖7、圖8分別為接圈和機(jī)座應(yīng)力仿真應(yīng)力分布云圖，仿真結(jié)果表明，其滿足所使用材料強(qiáng)度要求，可以在惡劣工況安全可靠運(yùn)行。

圖7 接圈應(yīng)力云圖

圖8 機(jī)座應(yīng)力云圖

發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中激勵(lì)復(fù)雜，變頻器負(fù)載也會(huì)引起豐富的徑向力波，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，避免與轉(zhuǎn)子、基波徑向電磁力波產(chǎn)生共振。發(fā)電機(jī)前4階模態(tài)振型分別如圖9所示，對(duì)應(yīng)的模態(tài)數(shù)值如表3所示。

圖9 發(fā)電機(jī)四階模態(tài)振型

發(fā)電機(jī)1.2倍額定轉(zhuǎn)速2 160 r／min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械頻率36 Hz；發(fā)電機(jī)額定頻率120 Hz，基波電磁徑向力波頻率240 Hz。從表3可知，發(fā)電機(jī)的模態(tài)固有頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械頻率、基波電磁徑向力波頻率不重合且相差40%以上，表明發(fā)電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生共振。

表3 發(fā)電機(jī)模態(tài)固有頻率

3.4 發(fā)電機(jī)CCS試驗(yàn)

聯(lián)合CCS、系統(tǒng)商及船廠對(duì)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究和討論，針對(duì)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，在既有發(fā)電機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)基礎(chǔ)上，消化吸收GB／T25123.4－2015標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)項(xiàng)點(diǎn)，建立適用于船舶永磁發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，解決永磁發(fā)電機(jī)試驗(yàn)、取證及驗(yàn)收的難題。永磁發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)CCS取證試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)差異性如表4所示，其余項(xiàng)點(diǎn)要求一致［9?10］。

表4 試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)差異性對(duì)比表

4 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)試制完成后，根據(jù)CCS，GB等相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范編制發(fā)電機(jī)試驗(yàn)大綱，對(duì)其進(jìn)行了例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、柴發(fā)機(jī)組試驗(yàn)、地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)、海試試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果與項(xiàng)目指標(biāo)對(duì)比如表5所示，發(fā)電機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和項(xiàng)目

?

表5 發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果和項(xiàng)目指標(biāo)對(duì)比指標(biāo)對(duì)比如表6所示，發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)和發(fā)電機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)照片分別如圖10、圖11所示。

表6 發(fā)電機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和項(xiàng)目指標(biāo)對(duì)比

圖10 型式試驗(yàn)照片

圖11 發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)試驗(yàn)照片

試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)在效率、溫升、噪聲、振動(dòng)及質(zhì)量等方面明顯優(yōu)于項(xiàng)目要求指標(biāo)。該發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行至今，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)異，狀態(tài)良好，完全滿足項(xiàng)目要求，表明該電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)是成功的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本樣機(jī)的成功研制表明，我國(guó)已基本掌握了直流組網(wǎng)船舶發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了行業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)研究的空白，該發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全域效率高、可靠性高、體積小、維護(hù)量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，為船舶運(yùn)行電力推進(jìn)系統(tǒng)提供了一種性能更優(yōu)和全壽命周期成本更低的新供電模式，為永磁技術(shù)在民用高技術(shù)船舶和軍用船舶發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用推廣提供了參考意見，也為我國(guó)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)換代奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。