船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析

任海兵

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引 言

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的功率和規(guī)模得到不斷提升。船用發(fā)電機(jī)作為船舶電力系統(tǒng)的核心，需保證其安全、高效地運(yùn)行，從而為船舶航行、船用設(shè)備工作和船員生活提供安全保障[1-3]。船用發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境通常比較惡劣，對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)而言，高溫環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致其永磁體不可逆熱退磁;同時(shí)，永磁體多采用稀土材料制作，用其制造大型發(fā)電機(jī)的成本較高，且勵(lì)磁磁場(chǎng)不能調(diào)節(jié)。在此情況下，磁場(chǎng)可調(diào)、功率因數(shù)大的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)在船上得到廣泛使用[4-7]。

為保證船舶供電的穩(wěn)定性，船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)采用“滿(mǎn)負(fù)荷連續(xù)工作”的工作制。長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的溫度較高，進(jìn)而影響勵(lì)磁系統(tǒng)控制的精確性和可靠性。因此，對(duì)同步無(wú)刷發(fā)電機(jī)的電磁損耗和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于保證其正常運(yùn)行而言具有重要意義[8-10]。

為保證大功率船用發(fā)電機(jī)安全工作，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)船用發(fā)電機(jī)和其他領(lǐng)域的大功率發(fā)電機(jī)的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行了大量研究。例如：李海奇[11]建立了樣機(jī)的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，分析了定子槽參數(shù)變化對(duì)發(fā)電機(jī)電磁損耗的影響；寧銀行等[12]采用三段式氣隙長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了優(yōu)化，采用短距、分布電樞繞組和定子斜槽優(yōu)化氣隙磁密，抑制電壓諧波；WANG等[13]提出的BEESG由具有2個(gè)不同極數(shù)的2組繞組的常規(guī)定子和具有強(qiáng)大功率的混合轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子繞組的極數(shù)不同；胡萌[14]從高功率密度的永磁電機(jī)溫度場(chǎng)的角度出發(fā)，借助分析軟件對(duì)一系列連續(xù)定額工作制的高功率密度永磁電機(jī)的流-熱耦合場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到了電機(jī)各部分的溫度分布；李進(jìn)才[15]以上海發(fā)電機(jī)廠的1 200 MW級(jí)發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)電磁學(xué)和傳熱學(xué)理論，采用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansoft與集成仿真平臺(tái)Workbench協(xié)同分析的方法對(duì)其電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究;李偉力等[16]對(duì)高功率密度、高壓永磁同步電機(jī)整體的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究；范佳[17]基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本理論,對(duì)其水路系統(tǒng)和風(fēng)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)的散熱要求。由這些研究可知，分析發(fā)電機(jī)的氣隙磁密，減少發(fā)電機(jī)的電磁損耗，采用合適的散熱方案，對(duì)于保障船用電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定工作而言是一個(gè)重要課題。

本文以某船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析。首先，通過(guò)建立二維有限元模型對(duì)一定負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，選擇合適的定子槽數(shù)；其次，通過(guò)電磁場(chǎng)仿真得到發(fā)電機(jī)的電磁損耗，進(jìn)一步分析發(fā)電機(jī)的溫升和溫度分布情況；最后，針對(duì)電磁損耗部位設(shè)計(jì)合適的散熱方案，并仿真分析其散熱效果，為船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)有限元模型的建立與分析

1.1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)設(shè)置

本文以某大型散貨船的2種600 kW電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)方案基本參數(shù)見(jiàn)表1。該船配備3套發(fā)電系統(tǒng)，采用MAN B&W 5S60ME-C8.2(Tier II)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)串聯(lián)的形式，其中發(fā)電機(jī)為無(wú)刷自勵(lì)磁三相同步發(fā)電機(jī)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出功率約為600 kW，功率因素為0.8，電制為450 V、60 Hz。該發(fā)電系統(tǒng)布置方式見(jiàn)圖1。

表1 2種600 kW電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案基本參數(shù)

圖1 發(fā)電系統(tǒng)布置方式

1.2 發(fā)電機(jī)定子繞線(xiàn)排布

定子是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子主要由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，其中定子繞組根據(jù)不同的定子槽數(shù)和繞線(xiàn)形式，在接入三相交流電之后，產(chǎn)生不同的變換旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[18-19]。圖2為電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)；圖3為2種方案的定子分布式繞組示意。

注：1為定子；2為定子槽與繞組；3為轉(zhuǎn)子；4為子極槽；5為氣隙；6為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸

圖2 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

a)方案1

b)方案2

2 二維電磁場(chǎng)的計(jì)算與分析

船舶發(fā)電機(jī)是船舶電力系統(tǒng)的核心，為船舶其他設(shè)備的工作和船員的生活提供電力保證。因此，本文所述船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)采用滿(mǎn)負(fù)荷連續(xù)工作制。同時(shí)，出于保護(hù)發(fā)電機(jī)考慮，發(fā)電控制系統(tǒng)針對(duì)不同的負(fù)載控制不同發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)和發(fā)電量，使其在大部分時(shí)間內(nèi)都在滿(mǎn)負(fù)荷的70%～80%范圍內(nèi)工作[20-22]。

2.1 電磁場(chǎng)有限元分析假設(shè)

考慮該船用發(fā)電機(jī)具有軸向?qū)ΨQ(chēng)性，同時(shí)忽略發(fā)電機(jī)的端部漏磁，采用二維橫截面模型(如圖2所示)對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。為方便計(jì)算，提出以下假設(shè)：

1)在采用二維瞬態(tài)場(chǎng)分析時(shí)，忽略位移電流的影響，不計(jì)發(fā)電機(jī)外部磁場(chǎng)，同時(shí)矢量磁位只有z軸分量Az；

2)發(fā)電機(jī)內(nèi)部材料表現(xiàn)為各向同性；

3)發(fā)電機(jī)內(nèi)部材料的磁導(dǎo)率均勻；

4)電樞鐵心的磁導(dǎo)率無(wú)窮大，即μFe= ∞[23]。

在上述假設(shè)條件下，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，采用矢量磁位z軸分量Az求解發(fā)電機(jī)的電磁場(chǎng)，其泊松方程為

(1)

式(1)中：Ω為求解區(qū)域;S1為一類(lèi)邊界;S2為二類(lèi)邊界;Az為矢量磁位軸向分量;ν為材料磁阻率，在飽和場(chǎng)中為變量;Jz為外加電流面密度軸向分量;Az為邊界上矢量磁位的已知值;Ht為邊界內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量。

圖4 由一槽和一極表示的發(fā)電機(jī)1/8周期幾何模型

2.2 不同定子槽數(shù)的仿真分析

本文采用Motor-CAD軟件對(duì)該船用發(fā)電機(jī)的二維橫截面進(jìn)行仿真分析。首先，從外部導(dǎo)入發(fā)電機(jī)DXF(Drawing Exchange Format)幾何模型，所用模型需滿(mǎn)足定子齒中心和轉(zhuǎn)子極間中心線(xiàn)與x軸線(xiàn)重合。圖4為由一槽和一極表示的發(fā)電機(jī)1/8周期幾何模型。其次，對(duì)對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行擴(kuò)展，并對(duì)部分材料的特性進(jìn)行定義、設(shè)置電磁場(chǎng)邊界。最后，選擇FEA(Finite Element Analysis)電磁場(chǎng)計(jì)算模塊，對(duì)模型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真。

定子開(kāi)槽是造成氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化的重要原因，對(duì)2種定子槽數(shù)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行75%負(fù)載電磁場(chǎng)分析，得到各自負(fù)載磁力線(xiàn)分布見(jiàn)圖5，以分析定子槽數(shù)對(duì)諧波磁場(chǎng)的影響。

a)方案1

b)方案2

通過(guò)仿真分析可知：方案1的定子槽數(shù)為48，氣隙磁密幅值為1.842 00 T，定子齒部磁密幅值為2.826 00 T，定子齒頂磁密幅值為2.354 00 T，定子軛部磁密幅值為2.577 00 T，轉(zhuǎn)子齒部磁密幅值為1.833 00 T，轉(zhuǎn)子齒頂磁密幅值為1.646 00 T，轉(zhuǎn)子軛部磁密幅值為0.716 50 T；方案2的定子槽數(shù)為60，氣隙磁密幅值為2.324 00 T，定子齒部磁密幅值為2.823 00 T，定子齒頂磁密幅值為2.852 00 T，定子軛部磁密幅值為2.741 00 T，轉(zhuǎn)子齒部磁密幅值為1.411 00 T，轉(zhuǎn)子齒頂磁密幅值為2.724 00 T，轉(zhuǎn)子軛部磁密幅值為0.073 53 T。

進(jìn)一步對(duì)發(fā)電機(jī)的徑向氣隙磁密進(jìn)行諧波分解。由于定子開(kāi)槽，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氣隙部分磁阻不均勻，產(chǎn)生齒諧波，進(jìn)而造成電磁損耗。因此，需削弱氣隙磁場(chǎng)中的齒諧波，從而減少發(fā)電機(jī)能量損耗和發(fā)熱。圖6為電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)徑向氣隙磁密波形，呈鋸齒狀，方案2相比方案1齒諧波減少。

a)方案1

b)方案2

3 三維電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合分析

根據(jù)上述氣隙諧波分析，選擇齒諧波和理論電磁損耗較少的方案2進(jìn)行三維電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合分析[24-25]。首先，通過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的電磁損耗，作為溫度場(chǎng)計(jì)算的熱源；其次，建立有限元模型，對(duì)發(fā)電機(jī)散熱前后的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，給出冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作方面的建議。

圖7 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子鐵心損耗分布

3.1 發(fā)電機(jī)電磁損耗分析

發(fā)電機(jī)鐵損是發(fā)電機(jī)的主要熱源，是發(fā)電機(jī)磁通在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的損耗，主要由磁滯損耗和渦流損耗組成。圖7為電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子鐵心損耗分布，反映了發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子鐵芯在某一運(yùn)行瞬時(shí)的總鐵損。

表2為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各結(jié)構(gòu)損耗計(jì)算結(jié)果。發(fā)電機(jī)的主要損耗是定子鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，其中磁滯損耗更多。由理論分析可知：定子因鐵損而造成的發(fā)熱量較大，是發(fā)電機(jī)散熱需重點(diǎn)考慮的部分；轉(zhuǎn)子雖然總體鐵損較少，但其勵(lì)磁部分鐵損較多，可能因發(fā)熱而造成勵(lì)磁失效。因此，需對(duì)船用發(fā)電機(jī)鐵損嚴(yán)重的部位進(jìn)行散熱，保證發(fā)電機(jī)高效、穩(wěn)定工作。

表2 發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各結(jié)構(gòu)損耗計(jì)算結(jié)果

3.2 發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)仿真和散熱方案分析

由于該船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是串聯(lián)運(yùn)行的，發(fā)電設(shè)備的工作空間溫度高、濕度大，同時(shí)發(fā)電機(jī)靠外層的定子部分發(fā)熱量較大，而中心位置(尤其是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁部分)的結(jié)構(gòu)集中，不易散熱，因此該船用發(fā)電機(jī)采用風(fēng)冷與水冷相結(jié)合的散熱方案，使發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部同步散熱。

3.2.1 溫度場(chǎng)有限元分析假設(shè)

建立該船用發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的三維模型，并提出以下假設(shè)：

1)由于船艙內(nèi)部是封閉的，故忽略定子水套外壁的自然對(duì)流散熱；

2)忽略發(fā)電機(jī)水套中的機(jī)械加工點(diǎn)等不規(guī)則區(qū)域；

3)發(fā)電機(jī)內(nèi)部材料的熱物理特性穩(wěn)定，不隨溫度的變化而變化；

4)由于船艙發(fā)電工作間高溫、濕熱，假設(shè)環(huán)境溫度恒定在40 ℃；

5)不考慮冷卻水的散熱方式，其溫度恒定在30 ℃[26-27]。

3.2.2 發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果

采用Motor-CAD軟件的電磁熱耦合模塊對(duì)該船用發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱分析。由于該船用發(fā)電機(jī)采用的是滿(mǎn)負(fù)荷連續(xù)工作制，故按滿(mǎn)載工況使其穩(wěn)定工作一段時(shí)間，分析其溫度分布情況。在軟件中建立熱仿真模型，得到散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。在不主動(dòng)散熱的情況下，分析得到該船用發(fā)電機(jī)各部分瞬態(tài)溫升曲線(xiàn)見(jiàn)圖9，各部分穩(wěn)態(tài)溫度分布見(jiàn)圖10。

圖8 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖9 不主動(dòng)散熱情況下船用發(fā)電機(jī)各部分瞬態(tài)溫升曲線(xiàn)

a)徑向

b)軸向

進(jìn)一步采用風(fēng)扇對(duì)該船用發(fā)電機(jī)中心部分(尤其是轉(zhuǎn)子)進(jìn)行風(fēng)冷散熱，采用水套對(duì)外側(cè)定子進(jìn)行水冷散熱。圖11為部分散熱情況下船用發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度分布。由圖11可知：部分冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度和外部溫度均有所下降，但單獨(dú)風(fēng)冷和單獨(dú)水冷的散熱效果均不佳；風(fēng)冷主要降低發(fā)電機(jī)中心位置的溫度，定子鐵心的發(fā)熱仍然較高；水冷主要降低定子部分的溫度，但因水套包裹在發(fā)電機(jī)外側(cè)，對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部散熱的效果不佳。因此，該船用發(fā)電機(jī)采用風(fēng)冷與水冷相結(jié)合的散熱方案，此時(shí)其各部分溫度分布見(jiàn)圖12。

a)風(fēng)冷

b)水冷

a)徑向

b)軸向

該船用發(fā)電機(jī)散熱前后的溫度變化見(jiàn)表3。由表3可知，風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)散熱的效果良好，能使各部件的溫度平均下降22 K。

表3 船用發(fā)電機(jī)散熱前后溫度對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以某船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元法分析了極數(shù)相同情況下定子槽數(shù)對(duì)其電磁場(chǎng)的影響。同時(shí)，通過(guò)軟件計(jì)算了發(fā)電機(jī)各部分的電磁損耗，將其作為發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合分析的熱源；進(jìn)一步針對(duì)發(fā)熱源集中部位和船用發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的特點(diǎn)對(duì)散熱方案進(jìn)行了分析。此外，分析對(duì)比了散熱前后船用發(fā)電機(jī)各部件的瞬態(tài)溫升和穩(wěn)態(tài)溫度分布,結(jié)果表明：

1)針對(duì)級(jí)數(shù)為8的發(fā)電機(jī)，采用定子槽數(shù)為60的設(shè)計(jì)，氣隙磁密的齒諧波和理論電磁損耗均較少；

2)對(duì)轉(zhuǎn)子采用行風(fēng)冷散熱、對(duì)定子采用水冷散熱的散熱方案的散熱效果良好，可供船用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)最優(yōu)值設(shè)計(jì)參考。