永磁直驱轴带发电机在船舶中的运用技术分析_孙彬彬.pdf
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1、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
2、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
3、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:
4、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
5、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
6、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
7、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 9
8、7%;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
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