基于大口徑水表的性能優化與應用研究

張文斌 馬燕 陳如華 郭勇 呂強

摘要：在過去的短短幾年時間里，永磁發電裝置技術的使用得到了大范圍的普及，尤其是稀土永磁技術，該技術的發電裝置具備運行可靠，結構簡單等特征;同時其優點也十分顯著，為了使整個系統的體積變小，性能提升，發電裝置就可以使用高速永磁中頻同步發電來實現這一目標。目前，由于市場上出售的水表類型繁多、價格存在差異，因此如何選擇一個價格適中、性能良好、計量精準的水表已經成為當前供水企業面臨的難題之一[1]。其中，在設計永磁同步發電裝置時，選取合適的轉子是十分關鍵的部分。該論文從智慧城市大口徑水表無線遠傳數據采集及發射終端供電裝置的研發與推廣角度出發，針對于大口徑水表遠傳終端供電中的永磁轉子發電裝置系統制定相應的計劃，首先表明裝置的使用原理，其次結合圖片的內容詳細的介紹該系統內部的構造，最后根據永磁轉子發電裝置系統的功能開展相應的調查研究，希望通過這篇論文能夠給這一領域的研究提供一定的參考價值[2]。

關鍵詞：永磁轉子發電裝置;大口徑水表;

中圖分類號： TU991.63???? 文獻標志碼：A

大口徑水表的應用原理

水表是供水企業實現貿易結算的重要儀器，其本身屬于物聯網的終端，是用戶和供水企業之間溝通交流的渠道。只有千家萬戶的水表運行穩定、指數精準、計量方式科學，才能保障供水企業的計量工作順利進行。生活中通常還會出現“二八”現象， 指的就是大口徑水表僅僅只占據了百分之二十，卻承擔著百分之八十的水量計量任務，由此可以看出，大口徑水表技術的應用和推廣十分重要。在供水管道水流的作用下推動葉輪帶動發電裝置永磁轉子實現發電的功能，為水表數據的遠傳終端與采集模塊供電，真正解決水表井內潮濕環境下利用自帶電池在實現遠傳終端與數據采集時資源受到限制的問題。

大口徑水表的應用領域

由于各類大口徑水表的構造不同，在流量性能上也存在一定的差異，無論是哪種類型的計量儀表都會存在缺陷與局限性的問題;在選擇水表時應遵循“沒有最好的，只有最合適的”理念，科學合理的進行選擇。在使用水表時，應與該地區的實際情況相結合，還要充分考慮用戶的用水特征和水表的計量特征[3]。

（1）針對于供水干線上計量所用到的水表，其通常情況下都是在流量高區運行，在流量比較平穩時，要考慮到選擇一種壓力損失小，流通能力大的水表;位于流量不高的區域，水表基本不會實現計量功能，由于該地區本身對流量的范圍就沒有過高的要求，因此在選擇水表時則不需要過多地考慮始動流量、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）針對于家用、事業單位及工礦企業，在供水管道上安置的貿易結算型水表，由于流量的變化跌宕起伏，稍大一點的壓力損失也不會對正常的供水產生影響，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;相對于工礦企業來說，那些重點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旋翼式水表是我國第一代大口徑水表，該水表所有技術經濟指標都已經被WS垂直螺翼式等水表領先，現如今各個地區安裝的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]。

項目背景介紹

現如今，自動抄表系統在供電領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，井里的環境潮濕，交流電源不能引入，在水表井中用電設備被分成的兩個部分，分別是遠傳發射終端和數據采集，因為安裝環境受限，遠傳終端供電以及數據采集的功能僅僅依靠電池供電才能實現。基于該情況，在設計遠傳設備時，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備的能源消耗。

（一）參數設計

作者研究了一種有效利用供水管道水流生成的能量推動葉輪帶動永磁發電轉子實現發電功能的設備，為水表提供遠程終端供電和數據采集，圖1清晰地反映出了該設備的設計參數：

圖2是設備在運行階段生成的波形圖，其中縱軸所表示的是轉矩，橫軸則表示的是機械角度，單位： N.M。在受到永磁轉子同步運作的影響下，就會生成相應的轉矩波，以下為永磁轉子發電設備在同步轉速穩定運行狀態下的電壓方程：

圖3為發電裝置外殼參數設計，下端設計為M20*2的螺紋與管道通過內螺紋緊連接，直徑為40的內腔體裝配有永磁轉子部件，永磁轉子與葉輪穿過3mm的傳動軸伸入管道內壁。

（二）功能與外觀設計

1、永磁轉子

一種被應用于電動機的轉子則被稱之為永磁磁環，磁環充磁為多極性（12極）。其基本構造為永磁磁環包裹定子鐵芯線圈，永磁磁環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生感應電動勢，下面則是電動機的電磁功率計算公式：

除以發電裝置的機械角度速度就能夠獲得發電裝置的電磁轉矩：

2、定子

定子是由鐵芯和線圈組成，鐵芯是具有9槽的矽鋼片疊壓構成，鐵芯的每個凸臺上纏有線圈繞組，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。由于永磁轉子的旋轉，在定子線圈上感應出電動勢。定子置于隔套內定子槽中，由于該定子線圈上設置了多個通槽，一方面減少熱量的產生，另一方面聚集更多的磁力線，其基本框架簡單，生產成本不高，裝配方便操作。圖4為定子、轉子及外殼的裝配半剖視圖。

（三）電池設計

遠傳終端應用了每隔4個小時發送一次的定時發送以及降低發送數據量的方案，在發送結束后保持休眠的狀態，在第二次發送時重新啟動該設備，采用這種方法最多能夠使用兩年。數據采集模塊始終處于一種全封閉的狀態，在電池的能源被消耗掉后，就需要對整體進行更換。倘若傳輸的信號非常弱時，設備則不能保持在休眠的狀態，這種情況下電量會消耗的更多。

（四）外觀設計

該裝置由兩部分構成，分別是發電整流組件與動力組件。動力組件由永磁轉子、葉輪及定子組件組成。

圖6葉輪采用ABS工程塑料，三個葉片呈120°均勻分布，內孔設計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定子槽中，永磁轉子置于轉子外殼中，該組件通過傳動軸與轉子外殼連接，傳動軸端部穿有葉輪并穿過管道，端蓋與隔套通過M3*35的內六角沉頭螺絲緊固。

四、試驗結論

該項目通過發電裝置在高速運行狀態下的損耗實驗得出，由于電源端輸出的頻率為50赫茲，是規范的正弦波，基于這種情況則可以選擇瓦特表檢測輸出的電功率，但這一過程我們需要考慮到的是由于發電裝置本身的功率就不是很大，在使用瓦特表進行檢測時檢測的功率應減去變頻器自身消耗的電功率，這樣才能獲得發電裝置輸出的實際功率，具體的關系圖如下：

結語

永磁轉子發電裝置與我們日常的生活息息相關，在供應動力與電力的基礎上，發電裝置在生產和制造方面都耗費了大量的原材料與能源，倘若可以提升發電裝置的功率密度與轉矩密度，就能夠節省大量的原材料，減少能源的消耗，對國民經濟的可持續發展具有重要意義。筆者在日后的設計過程中會從節約原料的角度進行深度分析和研究。

參考文獻

[1]劉光偉。高速永磁外轉子爪極發電裝置研究[D]。沈陽工業大學，2015。

[2]封寧君。磁齒輪及磁場調制永磁發電裝置在海洋能發電系統的應用研究[D]。東南大學，2018。

[3]耿偉偉，張卓然。新型外轉子Halbach永磁陣列定子無鐵心發電裝置設計與分析[J]。電工技術學報，2015，3014：130-137。

[4]貢德鵬。中低速電動汽車用直驅永磁輪轂發電裝置設計與研究[D]。太原科技大學，2016。

[5]岳智珉，朱蕾麗。大口徑水表技術分析和應用[J]。中國建設信息化，2019，12：76-77。

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

簡介作者：張文斌（1970- ），男，工程師，學士，研究方向：機電一體化

通信作者：馬燕（1980-? ），女，工程師，研究方向;電子技術