煤矿井下涡轮发电机设计与试验分析
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设计分析 esign and analysis
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摇 摇 2019 年第 47 卷第 5 期摇 摇
机 电机,通过对发电机的结构场、共轭耦合场和电磁场
设
计 的多物理场求解计算,得出了该结构电机能够有效
与 试
提高发电机的功率密度。 文献[5] 设计了一种自动
验 分
补偿式动密封的涡轮发电机,该电机同时运用磁耦
析 合传动结构,并对其进行了建模与仿真分析,发电机
在额定转速下,输出相电压可达到 50 V 左右,功率
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煤矿井下涡轮发电机设计与试验分析
谭摇 超,李宗燎,王家成
( 三峡大学,宜昌 443002)
摘摇 要:设计了一种用于煤矿井下供电的外转子涡轮发电机。 在发电机外径尺寸约束下,通过电磁计算得到 了发电机参数和尺寸大小,对发电机进行电磁场仿真,得到发电机在额定转速为 2 000 r / min 时的磁通分布和输出 电压。 制作样机进行实验,实验数据与仿真结果基本相同,证明了所设计外转子发电机模型的合理性。 带载 20 赘 时涡轮发电机在额定转速下输出电压为 9. 5 V、输出功率为 13. 5 W,发电机输出波形稳定,趋于正弦波,可满足了 供电要求。
Abstract: An external rotor turbine generator for underground power supply was designed. The parameters and dimen鄄 sions of the generator were obtained by electromagnetic calculation under the constraint of generator outer diameter. The e鄄 lectromagnetic field of the designed generator was simulated by COMSOL. The output voltage and flux distribution of the generator at rated speed of 2 000 r / min were obtained. The prototype was tested. The test results show that the test data were in good agreement with the simulation results, which verifies the rationality of the external rotor generator model. The output voltage of the turbogenerator at rated speed was 9. 5 V and the output power was 13. 5 W when the load was 20 赘. The out鄄 put waveform of the generator tends to sinusoidal wave smoothly,which can meet the requirements of power supply.
关键词:涡轮发电机;外转子;参数设计;COMSOL 软件ห้องสมุดไป่ตู้中图分类号:TM313摇 摇 文献标志码:A摇 摇 文章编号:1004-7018(2019)05-0032-04
Design and Test Analysis of Turbogenerator in Coal Mine
TAN Chao, LI Zong-liao, WANG Jia-cheng ( China Three Gorges University,Yichang 443002,China)
等 献[3]对涡轮发电机的关键部件涡轮进行设计、建
摇 煤
模和仿真,并根据结果得到了最佳的叶片数、叶片出
矿 口角度、中弧线圆弧半径大小及叶片进口角度等参
井
下 数,使得设计的涡轮模型水力性能达到最好,极大地
涡
轮 提高涡轮的输出功率。 文献[4] 提出了一种基于
发 电
Halbach 永磁体且采用磁耦合静密封方式的涡轮发
1摇 涡轮发电机整体结构及分析
传统涡轮发电机多采用磁耦合结构模式,利用 磁耦合结构可实现能量的无接触传递,能够有效保 护发电机定转子内部,使其不受钻井液的冲蚀。 然 而此类发电机结构复杂,需要极大的空间安装隔离 套及内外磁体,当负载突然变化时极易出现柔性谐 振和滑脱现象,可靠性较低[ 7-8 ] ,这些缺点使得传统
可高达千瓦。 王智明、郭云等人研究了一种混合的
励磁模式涡轮发电机,剖析了高温高压对发电机运
摇 32
收稿日期:2018 -08 -29
行的影响,经过实验验证,混合励磁构造下发电机输 出功率不受高压影响,但随着温度上升效率会 降低[6] 。
煤矿随钻测井与石油钻井的井口口径大小不 同,并且煤矿钻探过程中要考虑防爆等因素,因此用 于石油钻井的涡轮发电机不能直接用于煤矿之中。 本文根据煤矿钻井井口口径,设计了一种涡轮叶片 直径 70 mm、其他通径小于 55 mm 的外转子式新型 涡轮发电机,该新型电机可以克服了传统磁耦合发 电机极易发生滑脱及柔性谐振的缺点。 通过仿真模 型分析及实物带载试验验证,设计的发电机输出波 形谐波含量小且趋于正弦波,输出功率可满足供电 要求。
Key words:turbine generator, outer rotor, parameter design, COMSOL
0摇 引摇 言
由于具有在高温调节下能够稳定电能输出和使
用寿命较长等特点,涡轮发电机正成为随钻测井仪
摇 谭
器的主要电源[1-2] 。 在石油钻探方面,很多学者对
摇 超
涡轮发电机展开了研究,并获得了一定的成果。 文
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设计分析 esign and analysis
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摇 摇 2019 年第 47 卷第 5 期摇 摇
机 电机,通过对发电机的结构场、共轭耦合场和电磁场
设
计 的多物理场求解计算,得出了该结构电机能够有效
与 试
提高发电机的功率密度。 文献[5] 设计了一种自动
验 分
补偿式动密封的涡轮发电机,该电机同时运用磁耦
析 合传动结构,并对其进行了建模与仿真分析,发电机
在额定转速下,输出相电压可达到 50 V 左右,功率
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煤矿井下涡轮发电机设计与试验分析
谭摇 超,李宗燎,王家成
( 三峡大学,宜昌 443002)
摘摇 要:设计了一种用于煤矿井下供电的外转子涡轮发电机。 在发电机外径尺寸约束下,通过电磁计算得到 了发电机参数和尺寸大小,对发电机进行电磁场仿真,得到发电机在额定转速为 2 000 r / min 时的磁通分布和输出 电压。 制作样机进行实验,实验数据与仿真结果基本相同,证明了所设计外转子发电机模型的合理性。 带载 20 赘 时涡轮发电机在额定转速下输出电压为 9. 5 V、输出功率为 13. 5 W,发电机输出波形稳定,趋于正弦波,可满足了 供电要求。
Abstract: An external rotor turbine generator for underground power supply was designed. The parameters and dimen鄄 sions of the generator were obtained by electromagnetic calculation under the constraint of generator outer diameter. The e鄄 lectromagnetic field of the designed generator was simulated by COMSOL. The output voltage and flux distribution of the generator at rated speed of 2 000 r / min were obtained. The prototype was tested. The test results show that the test data were in good agreement with the simulation results, which verifies the rationality of the external rotor generator model. The output voltage of the turbogenerator at rated speed was 9. 5 V and the output power was 13. 5 W when the load was 20 赘. The out鄄 put waveform of the generator tends to sinusoidal wave smoothly,which can meet the requirements of power supply.
关键词:涡轮发电机;外转子;参数设计;COMSOL 软件ห้องสมุดไป่ตู้中图分类号:TM313摇 摇 文献标志码:A摇 摇 文章编号:1004-7018(2019)05-0032-04
Design and Test Analysis of Turbogenerator in Coal Mine
TAN Chao, LI Zong-liao, WANG Jia-cheng ( China Three Gorges University,Yichang 443002,China)
等 献[3]对涡轮发电机的关键部件涡轮进行设计、建
摇 煤
模和仿真,并根据结果得到了最佳的叶片数、叶片出
矿 口角度、中弧线圆弧半径大小及叶片进口角度等参
井
下 数,使得设计的涡轮模型水力性能达到最好,极大地
涡
轮 提高涡轮的输出功率。 文献[4] 提出了一种基于
发 电
Halbach 永磁体且采用磁耦合静密封方式的涡轮发
1摇 涡轮发电机整体结构及分析
传统涡轮发电机多采用磁耦合结构模式,利用 磁耦合结构可实现能量的无接触传递,能够有效保 护发电机定转子内部,使其不受钻井液的冲蚀。 然 而此类发电机结构复杂,需要极大的空间安装隔离 套及内外磁体,当负载突然变化时极易出现柔性谐 振和滑脱现象,可靠性较低[ 7-8 ] ,这些缺点使得传统
可高达千瓦。 王智明、郭云等人研究了一种混合的
励磁模式涡轮发电机,剖析了高温高压对发电机运
摇 32
收稿日期:2018 -08 -29
行的影响,经过实验验证,混合励磁构造下发电机输 出功率不受高压影响,但随着温度上升效率会 降低[6] 。
煤矿随钻测井与石油钻井的井口口径大小不 同,并且煤矿钻探过程中要考虑防爆等因素,因此用 于石油钻井的涡轮发电机不能直接用于煤矿之中。 本文根据煤矿钻井井口口径,设计了一种涡轮叶片 直径 70 mm、其他通径小于 55 mm 的外转子式新型 涡轮发电机,该新型电机可以克服了传统磁耦合发 电机极易发生滑脱及柔性谐振的缺点。 通过仿真模 型分析及实物带载试验验证,设计的发电机输出波 形谐波含量小且趋于正弦波,输出功率可满足供电 要求。
Key words:turbine generator, outer rotor, parameter design, COMSOL
0摇 引摇 言
由于具有在高温调节下能够稳定电能输出和使
用寿命较长等特点,涡轮发电机正成为随钻测井仪
摇 谭
器的主要电源[1-2] 。 在石油钻探方面,很多学者对
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涡轮发电机展开了研究,并获得了一定的成果。 文