永磁直驱轴带发电机在船舶中的运用技术分析_孙彬彬.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言在以往船舶的运行过程中，多借助电励磁轴带发电机解决船舶运行期间的发电问题，但经长久应用后发现，电励磁轴带发电机仅可恒速运行，在特定条件下无法满足船舶变速运行需求，且若降低运行速度，将会增大燃料消耗量。因此，为了更好地推进船舶行业发展，可运用永磁直驱轴带发电机代替电励磁轴带发电机，用于提升发电机运行效率，满足船舶的变速运行需求。1 永磁直驱轴带发电机在船舶中的应用优势1.1 效率卓越传统电励磁轴带发电机所造成的转子损耗量约为 3%，永磁直驱轴带发电机则不具备转子损耗，能够保持高功率因数状态运行，极大保障了运行效率。除此之外，永磁直驱轴带发电机仅需较低定子电流即可进入高功率因数状态，在一定程度上削减了定子损耗，进一步提升了永磁直驱轴带发电机的运行效率。从效率角度来看，传统电励磁轴带发电机的功率效率通常维持在 92%94%，而在相同功率、速度条件下，永磁直驱轴带发电机所能够呈现出的效率范围为 96%97%，而在高效率状态下，船舶所需的冷却设备规模更小1。1.2 结构简单为保证传统电励磁发电机转子磁极绕组的稳定运行，需配备相应励磁装置用于供电。传统电励磁发电机可靠性低且结构复杂，而永磁直驱轴带发电机无需配置永磁直驱轴带发电机在船舶中的运用技术分析孙彬彬（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）摘 要：本文从运行效率、整体结构、转子结构 3 个角度分析了永磁直驱轴带发电机在船舶中的应用优势，并从设计角度讨论永磁直驱轴带发电机在船舶中的运用技术，旨在根据船舶运行要求强化永磁直驱轴带发电机的设计工作，为高效运行奠定基础。关键词：永磁直驱；轴带发电机；船舶中图分类号：U665.11 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.026引用格式孙彬彬.永磁直驱轴带发电机在船舶中的运用技术分析 J.船舶物资与市场,2023,31(1):80-82.收稿日期：2022-10-24作者简介：孙彬彬（1989-），男，本科，助理工程师，研究方向为船舶电气设备调试。辅助设备，将磁钢设置于转子结构上后，在其寿命周期内均可提供磁场。1.3 转子优异相较于传统的电励磁轴带发电机，永磁直驱轴带发电机的转子结构更为简单。永磁直驱轴带发电机的转子结构为空心钢筒，表面设有磁钢，在该转子结构中，钢筒扮演着转子支架的角色，钢筒厚度与磁钢厚度分别为 3050 mm、15 20 mm，由此可见，永磁直驱轴带发电机转子结构的重量远低于传统电励磁轴带发电机，在该结构重量条件下，永磁直驱轴带发电机转子更易完成转动运行，且所形成的转动惯量极低。如表 1 所示，永磁直驱轴带发电机的转子转动惯量与重量远低于永磁发电机，永磁直驱轴带发电机的转子结构优势极为明显。表 1 2 种轴带发电机的转子转动惯量、重量对比结果对比指标电励磁轴带发电机永磁直驱轴带发电机转子转动惯量/kgm25300600重量/t822 永磁直驱轴带发电机应用设计分析2.1 总体应用要求1）电力推进系统图 1 为永磁轴带发电机的直流组网结构，与传统交流组网拓扑结构相较，直流组网优势更为显著，具体有：发电机组可实现变速运行，且具备良好的减排、降噪、节能效果；能源消耗量低，相较于交流组网能够降低 10%20%；直流组网中的永磁轴带发电机能够实现多电源接入，且“直插直用”2。因此，将永磁轴带发电机应用到船舶中时，应构建直流组网电力推进结构。第 1 期 81 图 1 永磁轴带发电机的直流组网结构2）变频器永磁直驱轴带发电机内部设有变频器，用于调节功率，为保障永磁直驱轴带发电机在船舶环境下实现稳定运行，实现高效应用，需按照变频器要求设置永磁直驱轴带发电机参数，具体为：直流母线电压为 1050 V；1.5 倍过载电流需低于 3000 A；空载反电动势在 20、1800 r/min 条件下应低于 690 V；额定电压应低于 1900 V；开关频率为 2000 Hz；DU/DT 需低于 3000 V/s。3）发电机组借助接圈刚性连接发电机定子与机壳，运用高弹体聚合物柔性连接发电机转子与飞轮盘，此外，永磁直驱轴带发电机在具体应用期间，需依托于双隔振结构将发电机组固定至船舶结构上。4）环境要求永磁直驱轴带发电机需能够良好使用-15+48的环境空气温度条件，并能够承受船舶运行期间所造成的冲击与振动，当船舶主体发生振动时，要求永磁直驱轴带发电机在无隔振、有隔振状态下的振动烈度分别低于 28 nm/s、45 nm/s。除此之外，要求永磁直驱轴带发电机能够在霉菌、油雾、盐雾、潮湿、海水环境下仍可有效运行。5）关键参数对永磁直驱轴带发电机应用时的关键参数总结，具体如下：额定功率为 1990 kW；额定转速为 1800 r/min；温升等级为 F；冷却流量为 10 m3/h；冷却介质入口温度需低于 32；效率需大于 97%；过载倍数为 1.5；中心高为 500 mm；冷却介质为海水；重量需低于 5800 kg。2.2 应用设计难点1）系统匹配难点与传统电励磁发电机相比，永磁直驱轴带发电机应用技术相对新颖，需基于船舶运行环境具体条件设计与配置永磁直驱轴带发电机，同时需做好变频器与永磁直驱轴带发电机的配套设置。2）散热冷却难点为防止外部空气内铁屑及灰尘被永磁吸附，永磁直驱轴带发电机采用全封闭结构，这就导致永磁直驱轴带发电机被局限在船舶狭小船舱内，随着发电机的运行，全封闭空间内部温度逐渐上升，给船舶永磁直驱轴带发电机的散热冷却带来一定难度。3）体积质量难点从应用角度来看，永磁直驱轴带发电机以海水为冷却介质，且采用刚性连接的方式固定发电机组与船舶船体，随着船舶的运行还可产生振动冲击工况，给永磁直驱轴带发电机的轻量化、小型化设计应用带来一定难度。4）中国船级社（CCS）试验难点现阶段，船舶检验规范内并未详细标明永磁直驱轴带发电机的性能试验标准，现有电励磁发电机相关试验指标及标准无法满足现实要求，这就给永磁直驱轴带发电机认证与通过 CCS 造成一定难度。2.3 关键技术分析1）电磁应用设计根据运行环境、空水冷结构、空载反电动势限制、变频器峰值电流、散热能力等要求对船舶永磁直驱轴带发电机进行设计，合理确定关键参数，以此提高永磁直驱轴带发电机对狭小空间、非正弦波电源的适应能力，继而确保永磁直驱轴带发电机实际应用到船舶环境中后能够发挥出优异作用。三圆。综合考虑永磁直驱轴带发电机成本及通用化要求，采用Y系列电机模具确定转子及定子的三圆尺寸。极数。永磁直驱轴带发电机极数越高，则定子轭部与线圈尺寸越短，此时发电机的重量与体积越小，并会提高发电机磁钢空间、冲片槽形的布设难度，因此，为确保永磁直驱轴带发电机能够在船舶运行环境下表现出良好应用效果，需综合考虑成本、质量、体积等因素确定发电机极数3。经综合分析后，确定 8 极是永磁直驱轴带发电机的最佳极数。气隙。永磁直驱轴带发电机采用成型线圈布设定子，用于保障定子刚度及槽满率，提高发电机可靠性，在该设计应用思路下，可采用 H 级绝缘结构作为定子，辅以定子齿轮及瘦高槽形，用于抵消变频器对永磁直驱轴带发电机造成的不利影响。转子。船舶运行环境相对恶劣，为确保永磁直驱轴带发电机能够在恶劣船舶运行环境下仍可保持良好性能，可选用内置式结构布设发电机磁路结构，该布设方式虽可造成较高漏磁系数，增大磁钢用量，但却具有较高的抗去磁能力，且弱磁范围更广，更适宜在船舶恶劣孙彬彬：永磁直驱轴带发电机在船舶中的运用技术分析船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 82 工况条件下运转。为进一步提升永磁直驱轴带发电机应用效果，选用耐温且具有高磁能积的稀土材料作为发电机永磁体，同时对空载反电动势所造成的电磁转矩深度应用，采用科学化磁路结构优化发电机空载气隙磁密波，以此起到提高永磁直驱轴带发电机运行效率的作用。2）冷却结构结合船舶运行环境来看，海水较易获得，是良好的冷却介质。永磁直驱轴带发电机共有 3 种冷却结构，即空水冷、内置风扇+水夹克、外置空水冷+水夹克4。永磁直驱轴带发电机的冷却介质需与冷却结构相辅相成，而永磁直驱轴带发电机的冷却介质为海水，若选用水夹克机座易造成结构腐蚀，因此，船舶应用永磁直驱轴带发电机时，可采用钛合金空水冷的方式进行冷却，辅以结构纵向通风，以此确保永磁直驱轴带发电机应用到船舶环境中后仍可表现出优异的散热状态，强化永磁直驱轴带发电机轴承、转子磁钢、定子绝缘等结构的热管理质量，通过解决散热冷却问题而保障永磁直驱轴带发电机的应用效果。图 2 为永磁直驱轴带发电机冷却结构系统，借助发电机内部冷风对轴承、转子磁钢、定子绝缘等结构进行冷却，而内部热空气则可借助转子及风机的驱动效果而进入发电机机座顶部实现热交换，使冷却器能够充分带走发电机的运行热量。图 2 永磁直驱轴带发电机冷却结构系统3）轻量化应用船舶选择与应用永磁直驱轴带发电机时，应以轻量化为目标控制关键结构构件，为保障永磁直驱轴带发电机应用效果，可结合船舶结构及运行环境搭建模型，基于模型配置与选择永磁直驱轴带发电机，并对发电机的定子绕组、冷却器、转子筒作为轻量化控制要点5。在极限工况条件下，永磁直驱轴带发电机铁心表面能够遭受到各类作用力，如单位磁拉力、重力等，因此船舶在选用永磁直驱轴带发电机之前，可采用仿真技术检查核实永磁直驱轴带发电机的机座应力及接圈应力，采用该方式分析永磁直驱轴带发电机的机座、接圈材料强度是否符合要求，只有确定机座、接圈强度达标后，永磁直驱轴带发电机方可在船舶恶劣环境下仍可保持良好运行状态。除此之外，永磁直驱轴带发电机在船舶环境内运行过程中，受到变频器负载及激励过程影响可能造成径向力波，为避免径向力波干扰永磁直驱轴带发电机的运行，保障发电机在船舶中的应用效果，可采用模态分析方法检查发电机振型，防止发电机径向电磁力波与转子形成共振。在具体应用期间，需对永磁直驱轴带发电机的转子机械频率、模态固有频率、径向力波频率进行确定，若 3 种频率不重合且存在至少 40%的差异，则证明转子机械频率、模态固有频率、径向力波频率不会在永磁直驱轴带发电机内形成共振，以此即可证明该永磁直驱轴带发电机能够在船舶环境下实现稳定运行。4）中国船级社试验在应用永磁直驱轴带发电机时，参照现行规范标准提取永磁直驱轴带发电机的性能指标，根据船舶需求及发电机特点合理设置性能标准，在解决永磁直驱轴带发电机船级社试验难题的同时，更便于确认永磁直驱轴带发电机在船舶环境下的应用要求。结合永磁直驱轴带发电机性能情况来看，要求发电机应用到船舶环境之前做好配电系统校验，要求发电机的直流组网稳态电压调整率低于 2.5%。3 结语永磁直驱轴带发电机在船舶中的应用效果远高于传统电励磁轴带发电机，为更好地确保永磁直驱轴带发电机能够在船舶环境下表现出优异性能，可从设计角度确认永磁直驱轴带发电机的应用参数，明确发电机应用要求及难点，有针对性地对永磁直驱轴带发电机进行调配，基于船舶实际情况选择永磁直驱轴带发电机进行应用，以此方可使永磁直驱轴带发电机更好地服务于船舶。参考文献：1 周海舟.基于 PLC 的船舶轴带发电机逆变器并联运行控制策略研究 J.舰船科学技术,2021,43(24):73-75.2 殷宗学,周海涛,王远,等.船舶轴带发电机选型及节能分析 J.船电技术,2021,41(10):20-23.3 周立安,晏才松,邓建华,等.直流组网船舶 1.99MW 永磁同步发电机研制 J.微特电机,2021,49(4):25-29.4 孙厚伟,钟军杰.船舶轴带发电机系统的应用及经济性分析J.内燃机与配件,2021(5):56-57.5 杨兵,陈国伟.船舶轴带发电机 PTI 模式的应用与管理 J.船舶物资与市场,2019(12):61-62.