技術比較：同步發電機和永磁發電機在軸帶發電機中的應用

簡介

傳統的船舶發電是使用獨立的輔助發電機組或通過將所謂的軸帶發電機連接到主機上進行發電。輔助發電機組通常包含一臺搭載了標準異步或同步發電機的恒速四沖程柴油機。此設計的主要優勢在于，由于是恒速運行，發電機饋送恒定的電壓和頻率到船舶電網，因此無需變換頻率的電力電子設備。此外，由于不依賴于推進系統，因此航行中或靠港后可持續發電。主要缺點是輔助發電機組需要較多空間和較大量的維護工作，若無昂貴的輔助設備（如用于降低粘度的預熱器）則無法使用價格低廉的重質燃油（HFO）。

在過去的幾十年里，之所以所謂的軸帶發電機系統變得被普遍采用，主要是由于能源成本不斷上升和日益嚴格的減排法規。在商用船舶中，采用最多的主機動力方案是將一臺低速二沖程柴油機直接連接到傳動軸，無需減速齒輪。二沖程柴油發動機與四沖程相比，主要優勢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格低廉得多的重質燃油。在不久的將來，降低耗油率將變得極其重要，這不僅是因為燃料成本不斷上漲，還因為日益嚴格的船舶排放限制，如從2016年開始執行的IMO Tier III。雖然有眾多方法可滿足新規定的要求，如采用雙燃料系統、降低NOx排放的裝置、余熱回收系統等類似的方案可供選擇，但最重要的目標仍然是提高效率–燃燒的燃料越少，排放量越少。

典型的軸帶發電機系統包含一臺電勵磁同步發電機（電勵磁發電機），它與主軸進行機械連接，并與船舶電網進行電氣連接——直接或通過變頻器。發電機和主機之間的機械連接可以是通過升速隧式齒輪箱實現，也可以是無需齒輪箱直接將發電機與軸連接來實現。在第一種情況下，由于扭矩較小，因此發電機的尺寸較小。可采用多家供應商均可提供的標準型成品。該解決方案自然有它的缺點，即必須使用變速箱，這增加了系統的故障風險，也使系統更加復雜，并需要更多的維護工作。此外，變速箱是相對昂貴的部件，并且由于齒輪接觸摩擦，2–3%的輸入機械功率會轉化為熱量而浪費。這也降低了系統總效率，并增加了系統的熱負荷，從而需要更大的冷卻功率。

另一種設計是將軸帶發電機直接連接至主軸，不需要變速箱，因此也就不存在由變速箱引起的所有問題。在這種直驅解決方案中，發電機以與主發動機相同的低速運行（對于二沖程柴油發動機，轉速通常低于100 rpm）。由于電機的尺寸通常與扭矩成正比，直驅軸帶發電機由于具有較高的發電機扭矩，因此發電機的尺寸也較大。這往往意味著標準型成品發電機不再適用了，而需要定制設計的發電機。

電勵磁同步發電機作為標準的發電解決方案已經超過了一個世紀，主要由于其運行效率較高，并且能夠有效控制網端的無功功率。并網同步發電機的主要缺點是它只能以恒速運行，而轉速取決于電網頻率，通常是50/60Hz。由于火力發電或水力發電等主要發電能源的性質，恒速運行這一點在傳統發電方案中并不關鍵，但對于軸帶發電機來說，非恒速系統才是理想選擇，在很多情況下，需要主發動機變速運行，如為了降低燃料成本或允許以較低的速度運行。

由于發電機直接并網，主軸的轉速須保持恒定，因此要改變推進裝置的推進力必須采用，例如，可變螺距（CP）的螺旋槳，因為已無法再改變螺旋槳的轉速。雖然定速CP螺旋槳能夠提供可變推進力，允許船舶以不同的速度、在不同的天氣狀況下運行，但它不能使效率達到最佳。這是由于在額定轉速下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行，推進器仍然具有高損耗，從而增加了一定的油耗。

只能通過以組合模式來運行系統以獲得最高效率，也就是推進器的螺距角和轉速始終可變，如可根據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螺旋槳系統的優勢越大。由于這種運行模式最大限度地降低了燃料消耗，同時提供最大的靈活性，因此近年來被普遍應用。

顯然，由于直接并網軸帶發電機需要恒速運行，因此不能采用這種模式。為了克服這個問題，越來越多的軸帶發電機將通過變頻器連接至船舶電網，從而允許變速運行。目前流行使用電力電子技術進行調速，因為在過去的幾十年里其價格下降的同時技術性能有所提高。首款控速軸帶發電機系統采用了晶閘管控制器。該控制器效率低下，而且會造成電網端功率的大幅畸變。目前，所有新型變速軸帶發電機系統都配有變頻器。該變頻器采用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術，因為它具有非常好的正弦輸出電壓的同時效率可高達97%。

然而，從發電機效率的角度來看，采用低速電勵磁同步軸帶發電機并非最佳解決方案，由于其低速運行導致效率較低。在傳統的高速發電方案中，同步發電機可實現高達98%至99%的效率。然而在低速軸帶發電機應用中，其效率僅為92%至94%。當再增加一臺變頻器以便于采用下述的組合模式，總電源轉換效率通常低于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電機替代電勵磁發電機。

圖1：斯維奇永磁直驅軸帶發電機可與二沖程和四沖程柴油機配合使用以達到優化主機和推進器運行的最大靈活性

永磁軸帶發電機的優點

永磁電機的典型應用是作為傳統的小型電動機，這一點為大家所知已有幾十年了。僅在過去的二、三十年來，它們才在大功率應用中取得了突破。這可能得益于上世紀80年代初釹磁鐵的發明。釹磁鐵具有極高的能量密度，因此能夠打造高效、兆瓦級大功率發電機和電動機。目前，最大型永磁發電機的功率已經超過10兆瓦；并且應用領域很廣，從風力發電、船舶推進、電梯到混合動力汽車以至于更多應用。永磁發電機特別適用于異步電機根本無法使用的低速應用，因為低速下異步電機的效率和功率因數太低。

實際當中，低速應用中曾經只能采用電勵磁同步發電機。這是船舶發電標準解決方案，包括軸帶發電機和發電機組。然而，為低速應用而設計的電勵磁同步發電機，如軸帶發電機，具有較低的功率轉換率，對于不斷增加的燃料成本和減排法規來說，這一點變得日益關鍵。這是因為低速運行導致發電機繞組的電磁感應較弱，這必須增加大量轉子磁極的線圈匝數來產生足夠大的磁感應強度來進行補償。磁極繞組中大量的線圈匝數產生較高電阻，當電流通過繞組時，會在轉子中產生大量損耗，導致效率低下。而電流損耗轉化為的熱量必須從電機中消除，因此又要求更高的冷卻性能。

在永磁發電機中，磁場由轉子上的永磁體直接產生。這意味著不再需要轉子磁極繞組或勵磁裝置。由于沒有磁極繞組和相關損耗，所以與電勵磁同步發電機相比，永磁發電機具有三大優點：卓越的效率，結構復雜性顯著降低、較低的轉子轉動慣量和重量。下面進行簡要的討論。

由于轉子磁極繞組的損耗，典型電勵磁軸帶發電機的轉子磁極繞組損耗占輸入機械功率高達3%，而該損耗在永磁發電機中不存在，永磁發電機中的轉子總損耗要低十倍左右。此外，由于永磁發電機以較高的功率因數運行，而電勵磁發電機 通常以0.80左右的功率因數運行以便于為船舶電網提供必要的無功功率，因此通常來說，永磁發電機定子端的損耗也更低。永磁發電機的高功率因數使其具有較低的定子電流，降低了定子電阻損耗，這一點也可看做效率的提高。

永磁軸帶發電機通常都配備了變頻器，可以調節電網端的無功功率而不受發電機的影響。連接至低速二沖程柴油機的典型電勵磁軸帶發電機具有約92%至94%的效率，在一定程度上取決于運行速度，而永磁發電機在同樣的速度和功率下具有約96%至97%的效率。通常情況下，電機都配備了需要足夠冷卻液流量來散熱的空液換熱器，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電機設計的效率比較，額定功率均為70 rpm下1500kW。我們可以清楚地看到，整個運行范圍永磁發電機擁有高出2%至3%的效率。不同的是，永磁發電機幾乎無轉子損耗，而電勵磁發電機在整個范圍內都需要恒定的轉子磁極勵磁功率。

圖2：1.5兆瓦軸帶發電機應用中永磁發電機和電勵磁發電機的效率。

由于永磁發電機無需勵磁的能量，因此在整個運行范圍內具有更高的效率，這大大降低了主機的度電油耗成本。

永磁發電機相對于電勵磁發電機的第二大優點是其機械結構更簡單，因為電勵磁發電機始終需要一臺為旋轉的轉子磁極繞組供電的勵磁裝置。船舶行業中的電勵磁發電機一貫采用所謂的無刷勵磁機，因為無刷勵磁機需要較少量的維護工作，但電刷會被磨損，必須定期更換。無刷勵磁機包含一臺小型輔助發電機，其輸出通過二極管整流橋連接至轉子磁極繞組。勵磁機的AC輸出必須整流成磁極繞組適用的DC輸出。在工業應用中，這種發電機從外部電網獲取勵磁功率。然而，船舶經常使用無需外部電網的自發電系統，比如黑啟動。這意味著，勵磁裝置還包含一臺小型永磁發電機作為勵磁機，來實現軸帶發電機完全獨立于電網啟動。除這兩臺小型輔助發電機和二極管橋以外，還需要控制電子裝置來調節勵磁功率。這一切使電勵磁軸帶發電機成為相對復雜的系統。這意味著有許多輔助組件，可能會最終導致系統可靠性很低。永磁發電機不需要任何降低系統可靠性的輔助設備，并且其無刷運行使維護工作量降至最小。磁場是由永磁體而非轉子磁極繞組提供，這意味著無需外部設備。一旦將磁鋼安裝在轉子上，即可在整個發電機工作壽命內提供必要的磁場。

永磁軸帶發電機的第三個優點與其簡單的轉子結構有關。電勵磁發電機的轉子包含一個裝有大量磁極和繞組的鋼制軸/轉子支架，而永磁發電機的轉子基本上就是一個表面裝有磁鋼的空心鋼筒。鋼筒的厚度（即轉子支架）通常只有30至 50mm，磁鋼的厚度是15至 20mm。因此永磁軸帶發電機轉子具有極低的轉動慣量和旋轉質量。對于整個軸系的動力性能（包括扭轉振動）來說，低轉動慣量和旋轉質量極其重要。

作為對比，1.5 兆瓦電勵磁軸帶發電機的轉子轉動慣量約為5300 kgm2，重量是8噸，而同性能的永磁發電機的數據分別為600kgm2和2噸。可以看出，永磁發電機的轉動慣量要低十倍左右。轉子的旋轉質量也要少6噸。對比具有相同的轉速和幾乎相同的外部尺寸的電勵磁發電機和斯維奇公司設計的永磁軸帶發電機時，從可比較的參數對比中可明顯看出永磁發電機的優點。

圖3：1500kW直驅永磁軸帶發電機轉子。

可以看出，轉子空心程度較大，使軸系的轉動慣量和旋轉質量顯著降低。螺旋槳軸穿過轉子，通過收縮聯軸器和轉子連在一起。

結論

永磁電機已經在大功率工業應用（泵、風扇、傳送器等）、分布式發電（風能、潮汐、小水電），以及對空間、重量和慣性有限制（電梯、伺服電機、混合動力汽車等）等領域中取得了突破。在船舶推進應用中已經很受歡迎，船舶發電應用亦取得了突破。

將永磁軸帶發電機與變頻器相結合，在優化發動機和推進器效率方面取得最大靈活性，因為在組合模式下，CP推進器的速度和螺距角可獨立變化。推進器轉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，優點就越顯著。即使在開放海域航行，在CP推進器中降低發動機的轉速，同時使用較小的螺距角，也可節約大量的燃料消耗。雖然已有通過采用變頻器實現變速運行的軸帶發電機系統，但目前為止，它們均使用電勵磁同步發電機。這樣的發電機在傳統電力發電設備中可以很好地工作，效率高達98%至99%，但當它用作軸帶發電機時，由于其運行速度較低（如上所述），其效率大幅降低到92%至94%。

將電勵磁電機與變頻器連接時可實現變速度運行，但電源轉換的總效率僅為90%左右，甚至更低。若使用永磁發電機會使效率提高3%至4%，達到94%，包括變頻器的損耗，從而大大降低了燃料成本。降低燃料消耗進一步有助于實現減排法規（如IMO Tier III）。除了前面提到的優點，永磁軸帶發電機連接變頻器可輕松滿足現在所有對于軸帶發電機系統的傳統要求，例如同步、與其它發電機并行操作，無功功率控制和發電機故障診斷。

圖4：1.5兆瓦 直驅永磁軸帶發電機在斯維奇工廠的背靠背試驗裝置。

目前為止，斯維奇已經設計和制造了約20款不同速度和額定功率的直驅軸帶發電機。每款電機均已在斯維奇的工廠驗收測試中進行了全功率測試，由于測試結果（如效率）非常好，人們對這些機器的興趣明顯增加。認證機構的驗收結果也很好，第一批設備已經在各船廠的船舶上完成安裝。

關于作者：

Jussi Puranen 目前在芬蘭斯維奇公司擔任研發經理。他主要負責永磁發電機的電磁設計和研發。Puranen擁有芬蘭拉普蘭塔理工大學（LUT）電氣工程理科碩士（技術）學位和博士（技術）學位。