技术比较：同步发电机和永磁发电机在轴带发电机中的应用

简介

传统的船舶发电是使用独立的辅助发电机组或通过将所谓的轴带发电机连接到主机上进行发电。辅助发电机组通常包含一台搭载了标准异步或同步发电机的恒速四冲程柴油机。此设计的主要优势在于，由于是恒速运行，发电机馈送恒定的电压和频率到船舶电网，因此无需变换频率的电力电子设备。此外，由于不依赖于推进系统，因此航行中或靠港后可持续发电。主要缺点是辅助发电机组需要较多空间和较大量的维护工作，若无昂贵的辅助设备（如用于降低粘度的预热器）则无法使用价格低廉的重质燃油（HFO）。

在过去的几十年里，之所以所谓的轴带发电机系统变得被普遍采用，主要是由于能源成本不断上升和日益严格的减排法规。在商用船舶中，采用最多的主机动力方案是将一台低速二冲程柴油机直接连接到传动轴，无需减速齿轮。二冲程柴油发动机与四冲程相比，主要优势是其具有较高的热效率，从而允许较低的耗油率（sfoc），此外，它可使用比船用柴油价格低廉得多的重质燃油。在不久的将来，降低耗油率将变得极其重要，这不仅是因为燃料成本不断上涨，还因为日益严格的船舶排放限制，如从2016年开始执行的IMO Tier III。虽然有众多方法可满足新规定的要求，如采用双燃料系统、降低NOx排放的装置、余热回收系统等类似的方案可供选择，但最重要的目标仍然是提高效率–燃烧的燃料越少，排放量越少。

典型的轴带发电机系统包含一台电励磁同步发电机（电励磁发电机），它与主轴进行机械连接，并与船舶电网进行电气连接——直接或通过变频器。发电机和主机之间的机械连接可以是通过升速隧式齿轮箱实现，也可以是无需齿轮箱直接将发电机与轴连接来实现。在第一种情况下，由于扭矩较小，因此发电机的尺寸较小。可采用多家供应商均可提供的标准型成品。该解决方案自然有它的缺点，即必须使用变速箱，这增加了系统的故障风险，也使系统更加复杂，并需要更多的维护工作。此外，变速箱是相对昂贵的部件，并且由于齿轮接触摩擦，2–3%的输入机械功率会转化为热量而浪费。这也降低了系统总效率，并增加了系统的热负荷，从而需要更大的冷却功率。

另一种设计是将轴带发电机直接连接至主轴，不需要变速箱，因此也就不存在由变速箱引起的所有问题。在这种直驱解决方案中，发电机以与主发动机相同的低速运行（对于二冲程柴油发动机，转速通常低于100 rpm）。由于电机的尺寸通常与扭矩成正比，直驱轴带发电机由于具有较高的发电机扭矩，因此发电机的尺寸也较大。这往往意味着标准型成品发电机不再适用了，而需要定制设计的发电机。

电励磁同步发电机作为标准的发电解决方案已经超过了一个世纪，主要由于其运行效率较高，并且能够有效控制网端的无功功率。并网同步发电机的主要缺点是它只能以恒速运行，而转速取决于电网频率，通常是50/60Hz。由于火力发电或水力发电等主要发电能源的性质，恒速运行这一点在传统发电方案中并不关键，但对于轴带发电机来说，非恒速系统才是理想选择，在很多情况下，需要主发动机变速运行，如为了降低燃料成本或允许以较低的速度运行。

由于发电机直接并网，主轴的转速须保持恒定，因此要改变推进装置的推进力必须采用，例如，可变螺距（CP）的螺旋桨，因为已无法再改变螺旋桨的转速。虽然定速CP螺旋桨能够提供可变推进力，允许船舶以不同的速度、在不同的天气状况下运行，但它不能使效率达到最佳。这是由于在额定转速下CP螺旋桨具有高空载损耗，这就意味着即使减小螺旋桨螺距角度以使船舶低速运行，推进器仍然具有高损耗，从而增加了一定的油耗。

只能通过以组合模式来运行系统以获得最高效率，也就是推进器的螺距角和转速始终可变，如可根据天气状况和船速变化。所需速度越低，使用组合模式比使用定速CP螺旋桨系统的优势越大。由于这种运行模式最大限度地降低了燃料消耗，同时提供最大的灵活性，因此近年来被普遍应用。

显然，由于直接并网轴带发电机需要恒速运行，因此不能采用这种模式。为了克服这个问题，越来越多的轴带发电机将通过变频器连接至船舶电网，从而允许变速运行。目前流行使用电力电子技术进行调速，因为在过去的几十年里其价格下降的同时技术性能有所提高。首款控速轴带发电机系统采用了晶闸管控制器。该控制器效率低下，而且会造成电网端功率的大幅畸变。目前，所有新型变速轴带发电机系统都配有变频器。该变频器采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）技术，因为它具有非常好的正弦输出电压的同时效率可高达97%。

然而，从发电机效率的角度来看，采用低速电励磁同步轴带发电机并非最佳解决方案，由于其低速运行导致效率较低。在传统的高速发电方案中，同步发电机可实现高达98%至99%的效率。然而在低速轴带发电机应用中，其效率仅为92%至94%。当再增加一台变频器以便于采用下述的组合模式，总电源转换效率通常低于90%。随着燃料成本的不断上升，更有效的解决方案也被不断提出。最有前景的解决方案之一是用更高效的永磁发电机替代电励磁发电机。

图1：斯维奇永磁直驱轴带发电机可与二冲程和四冲程柴油机配合使用以达到优化主机和推进器运行的最大灵活性

永磁轴带发电机的优点

永磁电机的典型应用是作为传统的小型电动机，这一点为大家所知已有几十年了。仅在过去的二、三十年来，它们才在大功率应用中取得了突破。这可能得益于上世纪80年代初钕磁铁的发明。钕磁铁具有极高的能量密度，因此能够打造高效、兆瓦级大功率发电机和电动机。目前，最大型永磁发电机的功率已经超过10兆瓦；并且应用领域很广，从风力发电、船舶推进、电梯到混合动力汽车以至于更多应用。永磁发电机特别适用于异步电机根本无法使用的低速应用，因为低速下异步电机的效率和功率因数太低。

实际当中，低速应用中曾经只能采用电励磁同步发电机。这是船舶发电标准解决方案，包括轴带发电机和发电机组。然而，为低速应用而设计的电励磁同步发电机，如轴带发电机，具有较低的功率转换率，对于不断增加的燃料成本和减排法规来说，这一点变得日益关键。这是因为低速运行导致发电机绕组的电磁感应较弱，这必须增加大量转子磁极的线圈匝数来产生足够大的磁感应强度来进行补偿。磁极绕组中大量的线圈匝数产生较高电阻，当电流通过绕组时，会在转子中产生大量损耗，导致效率低下。而电流损耗转化为的热量必须从电机中消除，因此又要求更高的冷却性能。

在永磁发电机中，磁场由转子上的永磁体直接产生。这意味着不再需要转子磁极绕组或励磁装置。由于没有磁极绕组和相关损耗，所以与电励磁同步发电机相比，永磁发电机具有三大优点：卓越的效率，结构复杂性显著降低、较低的转子转动惯量和重量。下面进行简要的讨论。

由于转子磁极绕组的损耗，典型电励磁轴带发电机的转子磁极绕组损耗占输入机械功率高达3%，而该损耗在永磁发电机中不存在，永磁发电机中的转子总损耗要低十倍左右。此外，由于永磁发电机以较高的功率因数运行，而电励磁发电机 通常以0.80左右的功率因数运行以便于为船舶电网提供必要的无功功率，因此通常来说，永磁发电机定子端的损耗也更低。永磁发电机的高功率因数使其具有较低的定子电流，降低了定子电阻损耗，这一点也可看做效率的提高。

永磁轴带发电机通常都配备了变频器，可以调节电网端的无功功率而不受发电机的影响。连接至低速二冲程柴油机的典型电励磁轴带发电机具有约92%至94%的效率，在一定程度上取决于运行速度，而永磁发电机在同样的速度和功率下具有约96%至97%的效率。通常情况下，电机都配备了需要足够冷却液流量来散热的空液换热器，更高的效率自然意味着只需要较少的冷却液流量。下图显示了两种轴带发电机设计的效率比较，额定功率均为70 rpm下1500kW。我们可以清楚地看到，整个运行范围永磁发电机拥有高出2%至3%的效率。不同的是，永磁发电机几乎无转子损耗，而电励磁发电机在整个范围内都需要恒定的转子磁极励磁功率。

图2：1.5兆瓦轴带发电机应用中永磁发电机和电励磁发电机的效率。

由于永磁发电机无需励磁的能量，因此在整个运行范围内具有更高的效率，这大大降低了主机的度电油耗成本。

永磁发电机相对于电励磁发电机的第二大优点是其机械结构更简单，因为电励磁发电机始终需要一台为旋转的转子磁极绕组供电的励磁装置。船舶行业中的电励磁发电机一贯采用所谓的无刷励磁机，因为无刷励磁机需要较少量的维护工作，但电刷会被磨损，必须定期更换。无刷励磁机包含一台小型辅助发电机，其输出通过二极管整流桥连接至转子磁极绕组。励磁机的AC输出必须整流成磁极绕组适用的DC输出。在工业应用中，这种发电机从外部电网获取励磁功率。然而，船舶经常使用无需外部电网的自发电系统，比如黑启动。这意味着，励磁装置还包含一台小型永磁发电机作为励磁机，来实现轴带发电机完全独立于电网启动。除这两台小型辅助发电机和二极管桥以外，还需要控制电子装置来调节励磁功率。这一切使电励磁轴带发电机成为相对复杂的系统。这意味着有许多辅助组件，可能会最终导致系统可靠性很低。永磁发电机不需要任何降低系统可靠性的辅助设备，并且其无刷运行使维护工作量降至最小。磁场是由永磁体而非转子磁极绕组提供，这意味着无需外部设备。一旦将磁钢安装在转子上，即可在整个发电机工作寿命内提供必要的磁场。

永磁轴带发电机的第三个优点与其简单的转子结构有关。电励磁发电机的转子包含一个装有大量磁极和绕组的钢制轴/转子支架，而永磁发电机的转子基本上就是一个表面装有磁钢的空心钢筒。钢筒的厚度（即转子支架）通常只有30至 50mm，磁钢的厚度是15至 20mm。因此永磁轴带发电机转子具有极低的转动惯量和旋转质量。对于整个轴系的动力性能（包括扭转振动）来说，低转动惯量和旋转质量极其重要。

作为对比，1.5 兆瓦电励磁轴带发电机的转子转动惯量约为5300 kgm2，重量是8吨，而同性能的永磁发电机的数据分别为600kgm2和2吨。可以看出，永磁发电机的转动惯量要低十倍左右。转子的旋转质量也要少6吨。对比具有相同的转速和几乎相同的外部尺寸的电励磁发电机和斯维奇公司设计的永磁轴带发电机时，从可比较的参数对比中可明显看出永磁发电机的优点。

图3：1500kW直驱永磁轴带发电机转子。

可以看出，转子空心程度较大，使轴系的转动惯量和旋转质量显著降低。螺旋桨轴穿过转子，通过收缩联轴器和转子连在一起。

结论

永磁电机已经在大功率工业应用（泵、风扇、传送器等）、分布式发电（风能、潮汐、小水电），以及对空间、重量和惯性有限制（电梯、伺服电机、混合动力汽车等）等领域中取得了突破。在船舶推进应用中已经很受欢迎，船舶发电应用亦取得了突破。

将永磁轴带发电机与变频器相结合，在优化发动机和推进器效率方面取得最大灵活性，因为在组合模式下，CP推进器的速度和螺距角可独立变化。推进器转速和螺距角的最佳组合最大限度地降低了油耗。船舶航速越低，优点就越显著。即使在开放海域航行，在CP推进器中降低发动机的转速，同时使用较小的螺距角，也可节约大量的燃料消耗。虽然已有通过采用变频器实现变速运行的轴带发电机系统，但目前为止，它们均使用电励磁同步发电机。这样的发电机在传统电力发电设备中可以很好地工作，效率高达98%至99%，但当它用作轴带发电机时，由于其运行速度较低（如上所述），其效率大幅降低到92%至94%。

将电励磁电机与变频器连接时可实现变速度运行，但电源转换的总效率仅为90%左右，甚至更低。若使用永磁发电机会使效率提高3%至4%，达到94%，包括变频器的损耗，从而大大降低了燃料成本。降低燃料消耗进一步有助于实现减排法规（如IMO Tier III）。除了前面提到的优点，永磁轴带发电机连接变频器可轻松满足现在所有对于轴带发电机系统的传统要求，例如同步、与其它发电机并行操作，无功功率控制和发电机故障诊断。

图4：1.5兆瓦 直驱永磁轴带发电机在斯维奇工厂的背靠背试验装置。

目前为止，斯维奇已经设计和制造了约20款不同速度和额定功率的直驱轴带发电机。每款电机均已在斯维奇的工厂验收测试中进行了全功率测试，由于测试结果（如效率）非常好，人们对这些机器的兴趣明显增加。认证机构的验收结果也很好，第一批设备已经在各船厂的船舶上完成安装。

关于作者：

Jussi Puranen 目前在芬兰斯维奇公司担任研发经理。他主要负责永磁发电机的电磁设计和研发。Puranen拥有芬兰拉普兰塔理工大学（LUT）电气工程理科硕士（技术）学位和博士（技术）学位。