技術(shù)比較：同步發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)在軸帶發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的船舶發(fā)電是使用獨(dú)立的輔助發(fā)電機(jī)組或通過(guò)將所謂的軸帶發(fā)電機(jī)連接到主機(jī)上進(jìn)行發(fā)電。輔助發(fā)電機(jī)組通常包含一臺(tái)搭載了標(biāo)準(zhǔn)異步或同步發(fā)電機(jī)的恒速四沖程柴油機(jī)。此設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)在于，由于是恒速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)饋送恒定的電壓和頻率到船舶電網(wǎng)，因此無(wú)需變換頻率的電力電子設(shè)備。此外，由于不依賴于推進(jìn)系統(tǒng)，因此航行中或靠港后可持續(xù)發(fā)電。主要缺點(diǎn)是輔助發(fā)電機(jī)組需要較多空間和較大量的維護(hù)工作，若無(wú)昂貴的輔助設(shè)備（如用于降低粘度的預(yù)熱器）則無(wú)法使用價(jià)格低廉的重質(zhì)燃油（HFO）。

在過(guò)去的幾十年里，之所以所謂的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)變得被普遍采用，主要是由于能源成本不斷上升和日益嚴(yán)格的減排法規(guī)。在商用船舶中，采用最多的主機(jī)動(dòng)力方案是將一臺(tái)低速二沖程柴油機(jī)直接連接到傳動(dòng)軸，無(wú)需減速齒輪。二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與四沖程相比，主要優(yōu)勢(shì)是其具有較高的熱效率，從而允許較低的耗油率（sfoc），此外，它可使用比船用柴油價(jià)格低廉得多的重質(zhì)燃油。在不久的將來(lái)，降低耗油率將變得極其重要，這不僅是因?yàn)槿剂铣杀静粩嗌蠞q，還因?yàn)槿找鎳?yán)格的船舶排放限制，如從2016年開始執(zhí)行的IMO Tier III。雖然有眾多方法可滿足新規(guī)定的要求，如采用雙燃料系統(tǒng)、降低NOx排放的裝置、余熱回收系統(tǒng)等類似的方案可供選擇，但最重要的目標(biāo)仍然是提高效率–燃燒的燃料越少，排放量越少。

典型的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包含一臺(tái)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)），它與主軸進(jìn)行機(jī)械連接，并與船舶電網(wǎng)進(jìn)行電氣連接——直接或通過(guò)變頻器。發(fā)電機(jī)和主機(jī)之間的機(jī)械連接可以是通過(guò)升速隧式齒輪箱實(shí)現(xiàn)，也可以是無(wú)需齒輪箱直接將發(fā)電機(jī)與軸連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。在第一種情況下，由于扭矩較小，因此發(fā)電機(jī)的尺寸較小�？刹捎枚嗉夜�應(yīng)商均可提供的標(biāo)準(zhǔn)型成品。該解決方案自然有它的缺點(diǎn)，即必須使用變速箱，這增加了系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)，也使系統(tǒng)更加復(fù)雜，并需要更多的維護(hù)工作。此外，變速箱是相對(duì)昂貴的部件，并且由于齒輪接觸摩擦，2–3%的輸入機(jī)械功率會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量而浪費(fèi)。這也降低了系統(tǒng)總效率，并增加了系統(tǒng)的熱負(fù)荷，從而需要更大的冷卻功率。

另一種設(shè)計(jì)是將軸帶發(fā)電機(jī)直接連接至主軸，不需要變速箱，因此也就不存在由變速箱引起的所有問(wèn)題。在這種直驅(qū)解決方案中，發(fā)電機(jī)以與主發(fā)動(dòng)機(jī)相同的低速運(yùn)行（對(duì)于二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速通常低于100 rpm）。由于電機(jī)的尺寸通常與扭矩成正比，直驅(qū)軸帶發(fā)電機(jī)由于具有較高的發(fā)電機(jī)扭矩，因此發(fā)電機(jī)的尺寸也較大。這往往意味著標(biāo)準(zhǔn)型成品發(fā)電機(jī)不再適用了，而需要定制設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)。

電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電解決方案已經(jīng)超過(guò)了一個(gè)世紀(jì)，主要由于其運(yùn)行效率較高，并且能夠有效控制網(wǎng)端的無(wú)功功率。并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是它只能以恒速運(yùn)行，而轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)頻率，通常是50/60Hz。由于火力發(fā)電或水力發(fā)電等主要發(fā)電能源的性質(zhì)，恒速運(yùn)行這一點(diǎn)在傳統(tǒng)發(fā)電方案中并不關(guān)鍵，但對(duì)于軸帶發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，非恒速系統(tǒng)才是理想選擇，在很多情況下，需要主發(fā)動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行，如為了降低燃料成本或允許以較低的速度運(yùn)行。

由于發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)，主軸的轉(zhuǎn)速須保持恒定，因此要改變推進(jìn)裝置的推進(jìn)力必須采用，例如，可變螺距（CP）的螺旋槳，因?yàn)橐褵o(wú)法再改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速。雖然定速CP螺旋槳能夠提供可變推進(jìn)力，允許船舶以不同的速度、在不同的天氣狀況下運(yùn)行，但它不能使效率達(dá)到最佳。這是由于在額定轉(zhuǎn)速下CP螺旋槳具有高空載損耗，這就意味著即使減小螺旋槳螺距角度以使船舶低速運(yùn)行，推進(jìn)器仍然具有高損耗，從而增加了一定的油耗。

只能通過(guò)以組合模式來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)以獲得最高效率，也就是推進(jìn)器的螺距角和轉(zhuǎn)速始終可變，如可根據(jù)天氣狀況和船速變化。所需速度越低，使用組合模式比使用定速CP螺旋槳系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越大。由于這種運(yùn)行模式最大限度地降低了燃料消耗，同時(shí)提供最大的靈活性，因此近年來(lái)被普遍應(yīng)用。

顯然，由于直接并網(wǎng)軸帶發(fā)電機(jī)需要恒速運(yùn)行，因此不能采用這種模式。為了克服這個(gè)問(wèn)題，越來(lái)越多的軸帶發(fā)電機(jī)將通過(guò)變頻器連接至船舶電網(wǎng)，從而允許變速運(yùn)行。目前流行使用電力電子技術(shù)進(jìn)行調(diào)速，因?yàn)樵谶^(guò)去的幾十年里其價(jià)格下降的同時(shí)技術(shù)性能有所提高。首款控速軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用了晶閘管控制器。該控制器效率低下，而且會(huì)造成電網(wǎng)端功率的大幅畸變。目前，所有新型變速軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)都配有變頻器。該變頻器采用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術(shù)，因?yàn)樗�具有非常好的正弦輸出電壓的同時(shí)效率可高達(dá)97%。

然而，從發(fā)電機(jī)效率的角度來(lái)看，采用低速電勵(lì)磁同步軸帶發(fā)電機(jī)并非最佳解決方案，由于其低速運(yùn)行導(dǎo)致效率較低。在傳統(tǒng)的高速發(fā)電方案中，同步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%至99%的效率。然而在低速軸帶發(fā)電機(jī)應(yīng)用中，其效率僅為92%至94%。當(dāng)再增加一臺(tái)變頻器以便于采用下述的組合模式，總電源轉(zhuǎn)換效率通常低于90%。隨著燃料成本的不斷上升，更有效的解決方案也被不斷提出。最有前景的解決方案之一是用更高效的永磁發(fā)電機(jī)替代電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

圖1：斯維奇永磁直驅(qū)軸帶發(fā)電機(jī)可與二沖程和四沖程柴油機(jī)配合使用以達(dá)到優(yōu)化主機(jī)和推進(jìn)器運(yùn)行的最大靈活性

永磁軸帶發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

永磁電機(jī)的典型應(yīng)用是作為傳統(tǒng)的小型電動(dòng)機(jī)，這一點(diǎn)為大家所知已有幾十年了。僅在過(guò)去的二、三十年來(lái)，它們才在大功率應(yīng)用中取得了突破。這可能得益于上世紀(jì)80年代初釹磁鐵的發(fā)明。釹磁鐵具有極高的能量密度，因此能夠打造高效、兆瓦級(jí)大功率發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。目前，最大型永磁發(fā)電機(jī)的功率已經(jīng)超過(guò)10兆瓦；并且應(yīng)用領(lǐng)域很廣，從風(fēng)力發(fā)電、船舶推進(jìn)、電梯到混合動(dòng)力汽車以至于更多應(yīng)用。永磁發(fā)電機(jī)特別適用于異步電機(jī)根本無(wú)法使用的低速應(yīng)用，因?yàn)榈退傧庐惒诫姍C(jī)的效率和功率因數(shù)太低。

實(shí)際當(dāng)中，低速應(yīng)用中曾經(jīng)只能采用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。這是船舶發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)解決方案，包括軸帶發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組。然而，為低速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，如軸帶發(fā)電機(jī)，具有較低的功率轉(zhuǎn)換率，對(duì)于不斷增加的燃料成本和減排法規(guī)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)變得日益關(guān)鍵。這是因?yàn)榈退龠\(yùn)行導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組的電磁感應(yīng)較弱，這必須增加大量轉(zhuǎn)子磁極的線圈匝數(shù)來(lái)產(chǎn)生足夠大的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。磁極繞組中大量的線圈匝數(shù)產(chǎn)生較高電阻，當(dāng)電流通過(guò)繞組時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生大量損耗，導(dǎo)致效率低下。而電流損耗轉(zhuǎn)化為的熱量必須從電機(jī)中消除，因此又要求更高的冷卻性能。

在永磁發(fā)電機(jī)中，磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體直接產(chǎn)生。這意味著不再需要轉(zhuǎn)子磁極繞組或勵(lì)磁裝置。由于沒(méi)有磁極繞組和相關(guān)損耗，所以與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相比，永磁發(fā)電機(jī)具有三大優(yōu)點(diǎn)：卓越的效率，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性顯著降低、較低的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重量。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論。

由于轉(zhuǎn)子磁極繞組的損耗，典型電勵(lì)磁軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極繞組損耗占輸入機(jī)械功率高達(dá)3%，而該損耗在永磁發(fā)電機(jī)中不存在，永磁發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子總損耗要低十倍左右。此外，由于永磁發(fā)電機(jī)以較高的功率因數(shù)運(yùn)行，而電勵(lì)磁發(fā)電機(jī) 通常以0.80左右的功率因數(shù)運(yùn)行以便于為船舶電網(wǎng)提供必要的無(wú)功功率，因此通常來(lái)說(shuō)，永磁發(fā)電機(jī)定子端的損耗也更低。永磁發(fā)電機(jī)的高功率因數(shù)使其具有較低的定子電流，降低了定子電阻損耗，這一點(diǎn)也可看做效率的提高。

永磁軸帶發(fā)電機(jī)通常都配備了變頻器，可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)端的無(wú)功功率而不受發(fā)電機(jī)的影響。連接至低速二沖程柴油機(jī)的典型電勵(lì)磁軸帶發(fā)電機(jī)具有約92%至94%的效率，在一定程度上取決于運(yùn)行速度，而永磁發(fā)電機(jī)在同樣的速度和功率下具有約96%至97%的效率。通常情況下，電機(jī)都配備了需要足夠冷卻液流量來(lái)散熱的空液換熱器，更高的效率自然意味著只需要較少的冷卻液流量。下圖顯示了兩種軸帶發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的效率比較，額定功率均為70 rpm下1500kW。我們可以清楚地看到，整個(gè)運(yùn)行范圍永磁發(fā)電機(jī)擁有高出2%至3%的效率。不同的是，永磁發(fā)電機(jī)幾乎無(wú)轉(zhuǎn)子損耗，而電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在整個(gè)范圍內(nèi)都需要恒定的轉(zhuǎn)子磁極勵(lì)磁功率。

圖2：1.5兆瓦軸帶發(fā)電機(jī)應(yīng)用中永磁發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的效率。

由于永磁發(fā)電機(jī)無(wú)需勵(lì)磁的能量，因此在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)具有更高的效率，這大大降低了主機(jī)的度電油耗成本。

永磁發(fā)電機(jī)相對(duì)于電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的第二大優(yōu)點(diǎn)是其機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因?yàn)殡妱?lì)磁發(fā)電機(jī)始終需要一臺(tái)為旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極繞組供電的勵(lì)磁裝置。船舶行業(yè)中的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)一貫采用所謂的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)，因?yàn)闊o(wú)刷勵(lì)磁機(jī)需要較少量的維護(hù)工作，但電刷會(huì)被磨損，必須定期更換。無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)包含一臺(tái)小型輔助發(fā)電機(jī)，其輸出通過(guò)二極管整流橋連接至轉(zhuǎn)子磁極繞組。勵(lì)磁機(jī)的AC輸出必須整流成磁極繞組適用的DC輸出。在工業(yè)應(yīng)用中，這種發(fā)電機(jī)從外部電網(wǎng)獲取勵(lì)磁功率。然而，船舶經(jīng)常使用無(wú)需外部電網(wǎng)的自發(fā)電系統(tǒng)，比如黑啟動(dòng)。這意味著，勵(lì)磁裝置還包含一臺(tái)小型永磁發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電機(jī)完全獨(dú)立于電網(wǎng)啟動(dòng)。除這兩臺(tái)小型輔助發(fā)電機(jī)和二極管橋以外，還需要控制電子裝置來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率。這一切使電勵(lì)磁軸帶發(fā)電機(jī)成為相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)。這意味著有許多輔助組件，可能會(huì)最終導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性很低。永磁發(fā)電機(jī)不需要任何降低系統(tǒng)可靠性的輔助設(shè)備，并且其無(wú)刷運(yùn)行使維護(hù)工作量降至最小。磁場(chǎng)是由永磁體而非轉(zhuǎn)子磁極繞組提供，這意味著無(wú)需外部設(shè)備。一旦將磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，即可在整個(gè)發(fā)電機(jī)工作壽命內(nèi)提供必要的磁場(chǎng)。

永磁軸帶發(fā)電機(jī)的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)與其簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)。電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子包含一個(gè)裝有大量磁極和繞組的鋼制軸/轉(zhuǎn)子支架，而永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子基本上就是一個(gè)表面裝有磁鋼的空心鋼筒。鋼筒的厚度（即轉(zhuǎn)子支架）通常只有30至 50mm，磁鋼的厚度是15至 20mm。因此永磁軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子具有極低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。對(duì)于整個(gè)軸系的動(dòng)力性能（包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）來(lái)說(shuō)，低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量極其重要。

作為對(duì)比，1.5 兆瓦電勵(lì)磁軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為5300 kgm2，重量是8噸，而同性能的永磁發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)分別為600kgm2和2噸�？梢钥闯�，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要低十倍左右。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也要少6噸。對(duì)比具有相同的轉(zhuǎn)速和幾乎相同的外部尺寸的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和斯維奇公司設(shè)計(jì)的永磁軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)，從可比較的參數(shù)對(duì)比中可明顯看出永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

圖3：1500kW直驅(qū)永磁軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

可以看出，轉(zhuǎn)子空心程度較大，使軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量顯著降低。螺旋槳軸穿過(guò)轉(zhuǎn)子，通過(guò)收縮聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子連在一起。

結(jié)論

永磁電機(jī)已經(jīng)在大功率工業(yè)應(yīng)用（泵、風(fēng)扇、傳送器等）、分布式發(fā)電（風(fēng)能、潮汐、小水電），以及對(duì)空間、重量和慣性有限制（電梯、伺服電機(jī)、混合動(dòng)力汽車等）等領(lǐng)域中取得了突破。在船舶推進(jìn)應(yīng)用中已經(jīng)很受歡迎，船舶發(fā)電應(yīng)用亦取得了突破。

將永磁軸帶發(fā)電機(jī)與變頻器相結(jié)合，在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器效率方面取得最大靈活性，因?yàn)樵诮M合模式下，CP推進(jìn)器的速度和螺距角可獨(dú)立變化。推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和螺距角的最佳組合最大限度地降低了油耗。船舶航速越低，優(yōu)點(diǎn)就越顯著。即使在開放海域航行，在CP推進(jìn)器中降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)使用較小的螺距角，也可節(jié)約大量的燃料消耗。雖然已有通過(guò)采用變頻器實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，但目前為止，它們均使用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。這樣的發(fā)電機(jī)在傳統(tǒng)電力發(fā)電設(shè)備中可以很好地工作，效率高達(dá)98%至99%，但當(dāng)它用作軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)，由于其運(yùn)行速度較低（如上所述），其效率大幅降低到92%至94%。

將電勵(lì)磁電機(jī)與變頻器連接時(shí)可實(shí)現(xiàn)變速度運(yùn)行，但電源轉(zhuǎn)換的總效率僅為90%左右，甚至更低。若使用永磁發(fā)電機(jī)會(huì)使效率提高3%至4%，達(dá)到94%，包括變頻器的損耗，從而大大降低了燃料成本。降低燃料消耗進(jìn)一步有助于實(shí)現(xiàn)減排法規(guī)（如IMO Tier III）。除了前面提到的優(yōu)點(diǎn)，永磁軸帶發(fā)電機(jī)連接變頻器可輕松滿足現(xiàn)在所有對(duì)于軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)要求，例如同步、與其它發(fā)電機(jī)并行操作，無(wú)功功率控制和發(fā)電機(jī)故障診斷。

圖4：1.5兆瓦 直驅(qū)永磁軸帶發(fā)電機(jī)在斯維奇工廠的背靠背試驗(yàn)裝置。

目前為止，斯維奇已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了約20款不同速度和額定功率的直驅(qū)軸帶發(fā)電機(jī)。每款電機(jī)均已在斯維奇的工廠驗(yàn)收測(cè)試中進(jìn)行了全功率測(cè)試，由于測(cè)試結(jié)果（如效率）非常好，人們對(duì)這些機(jī)器的興趣明顯增加。認(rèn)證機(jī)構(gòu)的驗(yàn)收結(jié)果也很好，第一批設(shè)備已經(jīng)在各船廠的船舶上完成安裝。

關(guān)于作者：

Jussi Puranen 目前在芬蘭斯維奇公司擔(dān)任研發(fā)經(jīng)理。他主要負(fù)責(zé)永磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和研發(fā)。Puranen擁有芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)（LUT）電氣工程理科碩士（技術(shù)）學(xué)位和博士（技術(shù)）學(xué)位。