王 凱，張 麗，李 明，江 峰

(1.武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070；2.湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430070)

伴隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展和世界人口數(shù)量的增長，人類生存產(chǎn)生的溫室氣體的排放量也隨之不斷增加，天然氣跟傳統(tǒng)能源煤炭相比，具有熱值較高、污染較低等顯著優(yōu)點[1]。其燃燒產(chǎn)生的能量是煤炭燃燒能量的約1.5倍，因此天然氣的開采和使用已經(jīng)成為當今各國必不可少的選擇[2]。

天然氣資源分布往往并不均衡，因此天然氣的貿(mào)易和輸送成為了燃氣開采地和燃氣用戶之間的連接橋梁，目前天然氣的運輸方式一般有液化輸送和管道輸送。燃氣管道輸送方式是利用連接油氣井和用戶之間的管網(wǎng)把未經(jīng)液化氣體狀態(tài)的燃氣進行運輸?shù)妮斔头绞?；液化輸送一般是把?jīng)過降溫、壓縮、液化三步驟后的液化狀態(tài)的天然氣利用公路、鐵路、海運或者管道運輸?shù)姆绞竭M行運輸?shù)妮斔头绞?。由于天然氣液化條件困難、工藝設(shè)備復(fù)雜、技術(shù)要求嚴格和投資費用較高等缺點，液化輸氣方法用處較少[3]。管道輸送具有輸送量大、輸送穩(wěn)定、用戶范圍大、輸氣地區(qū)廣和輸氣連續(xù)不斷等優(yōu)點，已成為目前天然氣主要的運輸方式。

燃氣輸送干線一般是以天然氣處理廠或輸氣干線首站為起點，城鎮(zhèn)配氣或工礦企業(yè)一線站為終點的輸送管線。一條完整的輸氣干線上包括數(shù)量不同、作用不同的站場，如增壓站、防腐站、清管站和輸氣站等。對管線中的氣體進行測量調(diào)壓，需要在干線設(shè)置氣體計量裝置，必要時還要設(shè)置氣體質(zhì)量檢測儀表，保證對管道內(nèi)氣體狀態(tài)的實時把控管理，并做好管道泄漏預(yù)防[4]。

天然氣輸送管網(wǎng)跨越地區(qū)范圍大，沿線管道輸氣站設(shè)置有的監(jiān)測裝置目前一般采用電池或者接線供電，充電電池往往工作時間短，更換頻率高，因為燃氣管道部分分布在野外或人跡罕至的地區(qū)，造成電池供電的方法成本較高，甚至無法對監(jiān)測裝置進行接線供電。

為了解決天然氣管網(wǎng)沿線檢測裝置的供電問題，在保證不會對管道內(nèi)輸送氣壓造成過大損失的前提下，提出一種管網(wǎng)內(nèi)置軸流式小型管道發(fā)電機的設(shè)計方法，并根據(jù)下位機的額定工作參數(shù)對電機參數(shù)進行設(shè)計計算，經(jīng)數(shù)值仿真和模擬實驗結(jié)果驗證設(shè)計結(jié)果滿足要求。

1 輸送管道小型發(fā)電機結(jié)構(gòu)

天然氣管網(wǎng)沿線檢測儀供電的小型管道水流發(fā)電裝置如圖1所示，該發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)子葉輪、發(fā)電機定子鐵芯、發(fā)電機定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體、滾動軸承、轉(zhuǎn)軸、軸承卡簧、電機定子殼體、堵頭和電機底座支架。其中電機轉(zhuǎn)子永磁體在葉輪內(nèi)壁圓柱面上采用表貼式連接，葉輪軸向內(nèi)側(cè)面開有圓柱形盲孔，轉(zhuǎn)軸前端裝在葉輪內(nèi)側(cè)盲孔內(nèi)，后端與滾動軸承內(nèi)圈采用過盈配合，轉(zhuǎn)軸內(nèi)圈的軸向采用軸承E型卡簧進行定位，外圈利用轉(zhuǎn)軸上的軸肩定位。定子鐵芯安裝在定子外殼內(nèi)，電機整體后端固定在支架上，繞組后端引出的導(dǎo)線通過底座支架的圓孔與穩(wěn)壓整流電路和充電鋰電池連接直接為負載供電，底座支架和定子密封殼體之間利用粘膠或螺紋進行連接。

圖1 管道發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

2 小型發(fā)電機電磁數(shù)值仿真

2.1 電磁數(shù)值仿真基本理論

電機運行過程中內(nèi)部存在電磁場，對管道發(fā)電機進行電磁場分析計算時，傳統(tǒng)的計算方法建立在磁場簡化和經(jīng)驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，其計算精度往往存在偏差[5]。數(shù)值分析的方法是將電機內(nèi)電磁場區(qū)域剖分成有限多的網(wǎng)格或單元，建立以網(wǎng)格上各節(jié)點的求解函數(shù)值為未知量的代數(shù)方程組后利用計算機進行迭代計算的電磁場分析方法[6]。若利用理論解析法對電機參數(shù)進行計算，將計算結(jié)果跟數(shù)值分析進行驗證比較，設(shè)計的電機參數(shù)準確性將會有較大提高。

2.2 小型發(fā)電機電磁設(shè)計

管道發(fā)電機通常在較低的轉(zhuǎn)速下運行，考慮到在電機轉(zhuǎn)子上要盡可能多布置永磁體以達到多極電機的要求，發(fā)電機選擇外轉(zhuǎn)子徑向式結(jié)構(gòu)，其永磁體的充磁方式采用Halbach陣列充磁，降低漏磁系數(shù)，增大電機氣隙磁密，提高電機功率密度[7]。

由于發(fā)電機工作在狹小的管道環(huán)境內(nèi)，發(fā)電機直徑往往較小。電機繞組的結(jié)構(gòu)選擇取決于電機的應(yīng)用場合和應(yīng)用條件、預(yù)期發(fā)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子極對數(shù)等，為適應(yīng)電機的體積要求，極數(shù)和槽數(shù)及其配合種類要求有更多的選擇，整數(shù)槽發(fā)電機由于每極每相槽數(shù)選擇范圍較小，而分數(shù)槽繞組適合直接驅(qū)動、低速和狹小空間的工作特性，因此管道發(fā)電機選用分數(shù)槽的繞組結(jié)構(gòu)形式[8]。電機電磁參數(shù)如表1所示。

2.3 小型發(fā)電機電磁仿真分析

發(fā)電機相關(guān)參數(shù)根據(jù)設(shè)計計算參數(shù)進行設(shè)定，其中包括各項目材料、繞組分布方式和每槽繞組匝數(shù)、永磁體充磁方式、剩磁密度和矯頑力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等。設(shè)定求解域，轉(zhuǎn)動域并設(shè)置邊界條件為氣球邊界條件等，并對求解區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，模型建立后對發(fā)電機進行有限元求解[9]。

表1 電機電磁設(shè)計參數(shù)

圖2和圖3分別表示發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速下氣隙磁密隨時間的變化圖和發(fā)電機空載時磁力線分布情況。根據(jù)圖2可知，氣隙磁密波形接近正弦，最大值接近0.75 T，與計算結(jié)果接近。圖3表明定子齒磁密不超過1.8 T，滿足設(shè)計要求，磁力線分布均勻，基本符合設(shè)計要求[10]。

圖2 電機徑向氣隙磁密分布圖

圖3 管道發(fā)電機磁力線分布圖

Ansoft仿真計算的發(fā)電機空載反電動勢波形發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩如圖4和圖5所示。勵磁電動勢波形接近正弦，峰值接近6 V，與設(shè)計結(jié)果相似，齒槽轉(zhuǎn)矩波動規(guī)律，峰值約為6 mN·m，滿足設(shè)計要求。

圖4 電機三相空載勵磁電動勢波

圖5 電機三相齒槽轉(zhuǎn)矩圖

3 電機轉(zhuǎn)速與感應(yīng)電動勢關(guān)系實驗研究

搭建實驗平臺測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速與整流穩(wěn)壓后輸出電壓的關(guān)系，實驗平臺如圖6所示。選用與發(fā)電機同軸心的可調(diào)速電機通過撓性聯(lián)軸器拖動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，測得發(fā)電機相電壓峰值隨拖動電機轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)速-電壓測試實驗平臺

圖7 電機轉(zhuǎn)速-相電壓關(guān)系圖

由于電機實際轉(zhuǎn)速難以保證整數(shù)值，實驗時轉(zhuǎn)速取值與仿真條件有較小差別。由圖7可知，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大時，實際測得和仿真計算的定子繞組單相電壓峰值基本隨轉(zhuǎn)速成正比增大；當測量轉(zhuǎn)速達到500 r/min附近，即與設(shè)計額定轉(zhuǎn)速相近時，發(fā)電機單相勵磁電動勢值與設(shè)計值相近。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種軸流式的管道發(fā)電機，采用直驅(qū)式的電機結(jié)構(gòu)，計算并確定了電機電磁參數(shù),對設(shè)計結(jié)果進行了有限元分析及實驗驗證。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的管道發(fā)電機能夠達到預(yù)期的研究目標，可為燃氣管道軸流式發(fā)電機的設(shè)計提供依據(jù)。