直驅式波浪發電用全超導初級勵磁 直線發電機的設計與分析

黃 磊 胡敏強 余海濤 施智祥 仲偉波

（1.東南大學伺服控制技術教育部工程研究中心 南京 210096 2.東南大學物理系 南京 210096）

1 引言

直驅式波浪發電系統減少了中間傳動機構、結構更加簡單、系統轉換效率更高[1]。高效率、高功率密度的直線發電機的研發是一直是直驅式波浪發電系統的核心問題。目前，直驅式波浪發電用直線電機主要有雙饋直線感應發電機、直線同步永磁發電機、直線游標混合發電機、橫向磁通直線發電機、磁通切換直線電機等多種電機[2-6]。由于波浪直驅具有大推力、低速度的特點，并且電機氣隙遠大于旋轉電機，使得以上采用銅材料電樞繞組和永磁材料的直驅式波浪用直線發電機均具有功率密度較低、體積龐大、效率低下、磁場不可控的缺點。如何解決這些問題成為直驅式波浪發電技術規模化應用的關鍵。

正如直驅式波浪發電技術領域著名研究學者 M.A.Mueller 和H.Polonder 所指出,解決直驅式波浪發電體積龐大、功率密度和效率低下這一核心問題的主要可能方式是采用比銅材料更加高效的新型材料[7-8]。目前唯一的可用材料就是超導材料。超導材料的使用不僅可以大幅提高電機磁場、增大電機功率密度、減小體積，同時可以增大電機效率、減小電機阻抗從而增大功率因數。O.Keysan 提出了一種采用超導材料建立電機磁場的單極超導直線電機，將其應用于直驅式波浪發電系統，取得了一定的成果[9]。

目前，超導型電機在類型上多為超導型同步電機[10]，即采用動子超導磁體結構，因此其冷卻機構較為復雜[11]。隨著定子永磁型電機的發展，部分學者開展了定子超導磁體電機的研究工作。定子超導磁體電機，其電樞和超導磁體均位于定子之上，運動部分既沒有電樞也沒有磁體，因此，其冷卻機構設計較為簡便，利于實用化。

從超導材料的應用位置上，目前的定子超導磁體電機和超導同步電機多為部分超導型電機，即采用超導材料作為場繞組，電樞繞組仍為銅線。全超導型電機的電樞繞組和場繞組均為超導材料。很顯然全超導電機的功率密度和效率遠高于部分超導型電機。盡管如此，部分超導型電機仍占據很大份額，這是由于全超導電機面臨兩個重要問題[12]：

（1）電樞繞組存在較大的交流損耗。由于交流損耗將造成溫度上升，影響熱穩定性，進而可能引起失超現象。

（2）低溫冷卻機構十分復雜。由于一般的同步電機的電樞和繞組分別位于定子和轉子之上。因此，需要定子轉子同時冷卻，而轉子的旋轉運動使得冷卻系統設計較為復雜。

近年來，隨著二硼化鎂（MgB2）超導材料的應用，電樞的交流損耗問題得到了解決，采用MgB2材料的全超導電機得到了廣泛的關注[13,14]。另外其具有比重小、易制備、易繞制等優點，可以被液氫燃料冷卻到20K 工作。既克服了常規低溫超導材料制備困難、價格昂貴的缺點，又克服了對液氦的依賴，可方便的使用小型制冷機獲得[13]。然而，與其他超導材料相比MgB2材料存在工作磁場相對較小的缺點。為克服這一缺點，部分學者采用MgB2材料作為電樞繞組，YBCO 材料作為場繞組，研發了混合全超導電機[15]。但是，為了滿足兩種不同超導材料同時工作，其電機結構和制冷系統均較復雜，加工和運行成本也很高。

因此，本文以直線游標混合發電機和磁通切換電機等初級永磁直線電機為基礎[16]，基于MgB2超導材料，提出一種結構簡單的全超導圓筒型初級勵磁直線發電機。開展將其應用于直驅式波浪發電的研究工作，為初級勵磁型超導直線電機的直驅式波浪發電系統的應用提供前期研究基礎。

2 電機結構和基本工作原理

全超導初級勵磁型直線發電機的結構如圖1 所示。

圖1 FSPELG 結構圖 Fig.1 The configuration of the proposed FSPELG

該超導直線電機的勵磁繞組和電樞繞組均采用MgB2超導線材。超導勵磁繞組使得氣隙磁通密度得到提高，從而增大功率密度。同時，可實現磁場調節，降低器件的電壓工作壓力；超導電樞繞組不僅消除了電樞損耗，增大了發電效率，而且可減小槽寬，增大初級和次級間的有效磁通面積，同時可降低電樞繞組電抗，提高功率因數。由于勵磁和電樞繞組均位于固定的初級定子上，其冷卻系統不需要運動，復雜程度得到了大大降低。采用有鐵心結構，既滿足了MgB2低場強特點（1～3T），又可通過鐵心引導磁路，有利于結構設計。圓筒型結構既可適應不同波浪來波方向，又可消除了橫向端部效應，同時可消除初級吸力；采用多齒結構，可增加磁場變換率，從而增大有效電壓，彌補低速時輸出電壓不高的缺點。完全采用模塊化結構，模塊間具有完全機械結構和冷卻單元獨立，具有一定的容錯性能。該電機的基本參數見下表。

表 全超導初級勵磁型直線發電機基本參數 Tab.The basic parameters of the proposed FSPELGor

3 MgB2 超導繞組性能分析

MgB2超導線材對電機的適用性直接決定了電機的性能。對于場繞組的導電性和電樞繞組的交流損耗是全超導電機的主要性能指標。本文針對MgB2超導線材的相關性能進行了研究。

3.1 超導繞組導電性能測試

圖2 為應用于超導電機的MgB2超導線材結構，采用玻璃鋼纖維材料作為絕緣包套材料，鐵或者銅作為粉末的包套材料。超導材料的有效截面積0.8mm2。完成包套后進行燒結，形成超導線。對該超導線的導電性能和不同燒結溫度和磁場下的導電性能進行測試，測試結果如圖3 所示。

圖2 MgB2 超導線材 Fig.2 The MgB2 type superconducting wire

圖3 MgB2 超導線材導電性能 Fig.3 The conductivity of the MgB2 wire

從圖3 可知在30K 溫度左右，超導體可實現完全的超導，而且在20K 工作溫度2T 工作磁場情況下，其電流密度至少可以達到100A/mm2，這完全適用于超導電機的工作性能。

3.2 交流損耗計算

交流損耗的大小直接決定了制冷機功率的選擇，因此，估算全超導電機電樞繞組的交流損耗十分重要。本文采用數值方法進行交流損耗的估算。超導電樞所在區域的磁場強度為

式中 H——磁場強度；

ρ——微電阻率；

μ0——相對磁導率。

選取槽邊界和氣隙邊界組成的區域為積分區域，C 為該區域外輪廓曲線，因此

式中 Hg——氣隙等效磁場強度；

g——氣隙長度；

N——導體匝數。

根據學者Bean 的超導體電路狀態模型，等效電阻率可表示為[18]

式中 電流密度 =?×J H ；

Jc——超導體臨界電流密度；

ρf——磁通流阻密度。

通過計算出的磁場強度分布，槽內超導體上單位長度的交流損耗可表示為

式中 f ——電流交流頻率。

根據文獻[16]，磁通流阻密度ρf=1×10-7?m。通過計算，若相電流峰值為30A 時，每相的交流損耗約為0.275W，遠遠小于相應的銅材料繞組，并且完全滿足制冷機的要求。相比于采用銅線，可大大減少電機銅耗，提高電機效率。

4 電機特性分析

圖4 兩個電機的單元結構圖 Fig.4 The unit configurations of FSPMLM and VHM

為研究初級勵磁型全超導直線發電機的性能，如圖4 所示的一個游標直線電機（VHM）和一個單 齒磁通切換永磁直線電機（FSPMLM）進行了對比分析[17]。三個電機的次級內外徑尺寸和次級的齒距完全一致。

4.1 空載特性

采用二維瞬態有限元方法對初級勵磁型全超導直線發電機進行了仿真分析獲得了電機磁力線分布和磁場分布如圖5 所示。

圖5 磁場分布圖 Fig.5 The magnetic field distribution

通過二維靜態有限元方法，可獲得三種電機的氣隙磁通密度如圖6 所示。

圖6 氣隙磁通密度分布 Fig.6 Air gap flux density distribution

通過瞬態有限元方法可獲得三種電機的空載特性，其中單相單匝繞組磁鏈如圖7 所示。

圖7 單相單匝繞組磁鏈 Fig.7 The no-load PM flux of single phase,single-turn

采用超導繞組的初級勵磁直線電機，由于超導繞組的應用，減少了槽所占空間，有效的增加了初次級齒部面積，因此，可獲得較高的單匝繞組磁鏈，具有較高的功率密度。

當運動速度為0.5m/s 時，可獲得初級勵磁型全超導直線發電機的感應電動勢如圖8 所示。并且可獲得三種電機的空載定位力分布如圖9 所示。

圖8 FSPELG 的感應電動勢 Fig.8 The EMF of the FSPELG

圖9 空載定位力分布 Fig.9 The no-load detent force

從圖中可知，由于永磁體的邊端磁路突變，游標直線電機存在一個較大的邊端定位力，引起其空載定位力較大。而對于磁通切換直線電機，其邊端無永磁，因此其主要的定位力分量為齒槽定位力分量，采用多齒結構的超導型初級勵磁直線電機，定位力分布更加均勻，因此，其定位力分量更小。

4.2 負載特性

發電機的帶載能力是發電機的重要特性。本文采用三相對稱性電阻負載，對所提出的超導型初級勵磁直線發電機和單齒磁通切換直線電機進行了對比分析。采用二維瞬態有限元方法對其進行了仿真分析。對于超導勵磁型初級勵磁直線發電機，隨負載變化時相應的調制勵磁穩定電壓。在不同負載電流下的電壓輸出曲線如圖10 所示。

圖10 負載特性 Fig.10 The load performance

從圖中可知，隨著三相電阻負載電流的增加，電樞反應增強，去磁較為嚴重，這將造成端電壓降低。超導型初級勵磁直線電機增大勵磁電流可實現端電壓的穩定，因此，超導型初級勵磁型直線電機，初級勵磁電流工作范圍較廣，可實現大范圍的勵磁調節，減小端電壓降低。然而，由于存在磁路飽和的影響，因此，隨負載的增加時，雖大幅增大了勵磁電流，仍然存在無法避免的電壓跌落。

而對于磁通切換永磁電機，由于永磁磁場不可調，出現較大電壓跌落，帶載能力較弱。對于超導勵磁直線發電機，同樣勵磁電流不變時，也產生較大的電壓調整率，帶載能力降低。然而，由于初級繞組為超導繞組，超導型初級勵磁直線電機勵磁電流不變時其電壓調整率和帶載能力均優于永磁磁通切換電機，這主要是初級繞組內阻遠小于負載電阻。

5 實驗驗證

本文通過實驗室已有的單齒磁通切換直線電機進行了實驗驗證。實驗電機的初次級結構如圖 11所示。該電機的空載和負載時的電壓曲線如圖 12所示。

圖11 FSPMLM 實驗樣機初次級 Fig.11 The primary and secondary of a FSPMLM

圖12 實驗電壓波形 Fig.12 The experimental results of voltage

從實驗結果可知，單齒磁通切換直線電機帶載后存在相對較大的電壓調整，帶載后電壓幾乎不到為空載電壓的50%。這說明，永磁磁通切換直線電機作為發電機存在較大的電壓調整率，帶載能力弱。從而證明了具有可調磁場的超導型初級勵磁直線電機的優越性。

6 結論

本文根據波浪發電的特點，在游標直線電機和磁通切換直線電機的基礎之上，基于MgB2超導線材提出了應用于直驅式波浪發電機的超導型初級勵磁直線發電機。完成了超導繞組的性能分析，并對交流電樞超導線的交流損耗進行了計算。給出了電機具體結構尺寸，并對該電機的空載特性和負載特性進行了仿真分析。分析結果表明：

（1）采用初級勵磁結構，次級結構簡單，可有效地減少制冷機構的復雜度。

（2）采用多齒結構可有效的增大磁通變化率，減少電機的定位力。

（3）采用初級超導勵磁可實現磁場大范圍調節，減少帶載時電壓的降低，增大帶載能力。

（4）超導繞組具有低損耗，有效地減少電機損耗。

對于該類電機在波浪發電等直線發電領域的應用具有一定的參考價值。

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