海洋能作为可再生能源,具有可靠、稳定、对环境污染小等优点,日益受到国内外的重视。利用海流进行发电与风力发电相似,但具有更高的能量密度。然而,由于海流发电机要考虑更多的由海流环境条件而引起的问题,例如海水腐蚀及海洋生物附着现象、密封性、桨叶的气蚀损伤等,一旦海流发电机发生故障,维修困难且成本很高,所以必须对海流发电机进行可靠性分析,来降低电机投入使用后的故障率,减小昂贵的维修成本,并寻求延长电机使用寿命的途径。

海流发电机大多采用永磁电机。永磁体退磁是永磁电机的特有故障,而且永磁体在高温环境下容易发生不可逆退磁。电机在机电能量转换过程中所产生的损耗最终绝大部分变成热量^[1],造成电机温度上升,故本文对电机进行磁–热耦合仿真,并观察电机尺寸参数（定子槽宽、气隙长度及永磁体宽度）对永磁体温度及电机寿命的影响。

可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性/故障逻辑关系的描述,可利用模型进行定量分配和预计,发现设计中的薄弱环节,以改进设计。

海流永磁发电机选择的结构为旋转磁极式（永磁体在转子上）,径向式磁路结构（永磁体直接面对气隙,漏磁小,易于实现对永磁体的冷却）。为了建立永磁电机的可靠性模型,就必须了解电机所有主要的功能单元,根据国军标《GJB299C—2006电子设备可靠性预计手册》^[2]及美军标《Military Handbook-Electronic Reliability Design Handbook》^[3],可以查到元器件及组件的失效模式及其频数比,见表1。

根据表1,可以确定电机的可靠性模型中包括绕组和轴承两个子单元。另外永磁体失磁是分析永磁电机可靠性中不可忽略的故障,故将永磁体也作为电机可靠性模型的一个单元,且建模采用的是串联模型,综上所述,可以得到电机的可靠性模型如图1所示。

同时采用元器件应力分析法对电机进行可靠性预计,根据国军标,可以查到绕组和永磁体的失效率计算公式,分别为

式中,λ_b为基本失效率,10^-6/h;π_E为环境系数;π_Q为质量系数;π_K为种类系数;π_C为结构系数。

根据NPRD^[4]（Non-electronic Parts Reliability Data）《非电子部件可靠性数据》标准手册,可以直接查到一些机械部件的失效率,包括轴和轴承,轴的失效率为λ_axie = 7.828 0×10^-6/h,轴承的失效率为λ_bearing = 3.111 4×10^-6/h。

假设每个部件的寿命分布服从指数分布,电机运行1 000h的可靠度为

电机的平均故障间隔时间^[5]（MTBF）为

这就是说,当电机投入使用后,预测1.2年后电机可能会出现故障,所以有必要在电机使用第一年之后停止使用,对其进行预防性维修,这样可以延长其偶然故障期,延长它的使用寿命。

由于永磁体是海流发电机可靠性模型的重要组成之一,它会影响到电机的可靠度和使用寿命,且永磁体退磁是永磁电机的特有故障,因此有必要重点对永磁体进行失效分析,为了进一步分析永磁体的失效机理,本文选择从故障物理（也称为可靠性物理或失效物理）的角度去分析。

故障物理是专门研究产品故障机理的科学,以产品故障为核心,关心产品的故障机理或故障的根本原因,以物理、化学分析为基础,强调对故障的物理、化学过程的定量分析和描述^[6]。图2主要概括了永磁体的失效机理。

本文选择从温度的角度去分析永磁体的退磁,由于钕铁硼的性能对温度有很高的依赖性,温度过高容易发生不可逆失磁,所以本文将建立永磁体的温度模型,对其进行温度场仿真,将损耗作为输入条件放入温度模型中。首先使用Maxwell对电机进行损耗仿真,将得到的损耗作为温度模型的热源,再使用Ansys Workbench软件对海流永磁发电机进行磁–热耦合仿真,这样有限元模型和热模型可以互取损耗和温度量值,实现永磁体动态的退磁分析。

确定一下海流发电机的主要技术指标有：额定功率P_N = 1MW;相数m = 3;额定电压U_N = 690V;额定转速n = 12r/min。

另外电机的主要尺寸为：定子内径D_i1 = 5.052m;定子有效长度L_eff = 0.624 3m。

先对电机进行损耗仿真,电机损耗主要包括定子铁耗和铜耗,本文还考虑了永磁体的涡流损耗,仿真结果如图3所示。

之后进行温度场仿真,在温度场仿真过程中需要计算电机的对流换热系数,其中定子端面与电机内部空气之间的对流换热系数^[7]为

转子端面与电机内部空气之间的对流换热系数^[9]为

式中,v为空气的运动粘度。

对于海流发电机的工作环境温度,英国MCT公司已经建立了单桩固定支撑技术,并且认为是当前支撑海流发电机的最佳选择,但考虑到安装时起重的驳船以及叶片的直径大小,一般所选择海域的深度为20~40m^[6]。根据MCT公司的结论,将海流发电机放在海下20~40m,在此范围的海水温度大致为15℃^[10],电机温度场仿真的环境温度设置为15℃,仿真结果如图4、图5所示。

从整机的温度云图可以发现,绕组的温度最高,然后依次向周围散发热量。由于铜耗是电机的主要损耗,所以绕组是电机中温度最高的部分。

温度曲线中上面那条曲线代表的是电机的最高温度,下面那条曲线代表的是电机的最低温度。从整机的温度曲线可以发现,在500s的时候温度已经达到稳定,即电机的最高温度。因为永磁体的温度不会超过电机的最高温度,本文选择的永磁体钕铁硼,其稳态温度远远低于它的居里温度,所以永磁体不会发生不可逆退磁,可以正常工作。

电机温度过高会引起永磁体失磁,所以电机运行时需要观察永磁体的温度变化。本文将考虑电机尺寸参数（定子槽宽、气隙长度及永磁体宽度）是否会对永磁体的温度造成影响,分别将其3种尺寸增大10%、20%及30%之后进行磁-热耦合仿真,观察不同工况下永磁体的温度,并找出哪个参数会对永磁体的温度造成最大的影响。

分别将定子槽宽增大10%、20%及30%,仿真后得到其温度云图如图6所示。

从仿真得到的数据来观察它们的温度变化,发现当槽口的宽度逐渐增大时,永磁体的最高温度也呈现逐步上升的趋势。

分别将气隙长度增大10%、20%及30%,仿真后得到其温度云图如图7所示。

观察仿真得到的永磁体温度,发现永磁体的温度会随着气隙长度的增大而呈下降的趋势。

这里考虑永磁体宽度增大10%及增大20%的情况,因为永磁体宽度增大30%的时候,它的宽度超过了极距,超出了尺寸范围,这是不允许的。结果如图8所示。

从仿真得到的数据来看,当永磁体的宽度逐渐增大时,永磁体的温度呈逐渐下降的趋势。

接着计算永磁体温度随这3种尺寸变化的变化率,做出比较如图9所示。

从图9可以发现,永磁体随气隙长度变化的变化率是最大的,其次是槽宽,最后是永磁体宽度,所以气隙长度的变化对永磁体的温度影响最大,在之后设计电机的时候,应考虑气隙长度对永磁体温度的影响,最好增大气隙长度,可以降低永磁体的温度,以保证电机运行可靠,延长使用寿命。

因为电机的尺寸参数会改变电机及永磁体的温度,而温度会对电机的寿命产生很大的影响,在可靠性分析中也包括对产品的寿命预估,想要得到可靠性高的电机,故障率要低,其寿命也要长,所以本节将计算电机在不同尺寸参数下的寿命,观察电机尺寸参数和电机寿命的关系。

电机的寿命主要取决于电机绕组的绝缘寿命,温度会对电机绝缘寿命有显著影响,高温将加快绝缘材料的物理变化和化学反应速度,促进绝缘老化。通过多年的研究和数据总结出绝缘寿命与温度关系的经验公式^[11]

式中,θ为绝缘材料的温度;R = 8.317J/kg·℃;E_a、G为与绝缘材料和化学反应有关的常数。对于B级绝缘电机,有：G = 15.5,B = 10 200。再根据不同的电机温度求得电机绝缘寿命。

根据之前电机的温度场仿真,得到了定子槽宽分别改变10%、20%及30%的电机温度,分别代入式（8）,计算电机寿命。变化曲线如图10所示。

随着定子槽宽的增大,电机温度上升,电机寿命随之降低,电机温度与电机寿命的关系呈反比。

根据之前仿真得到的气隙长度分别改变10%、20%及30%的电机温度来计算电机寿命。变化曲线如图11所示。

随着气隙长度增大,电机温度上升,电机寿命随之降低。

根据之前仿真得到的永磁体宽度分别改变10%及20%的电机温度来计算电机寿命。变化曲线如图12所示。

随着永磁体宽度增大,电机温度下降,电机寿命随之增大。

通过改变3种尺寸来观察电机的寿命,可以发现：①电机的温度和电机的寿命呈反比,为了延长电机的寿命,就要降低电机的温度,可见温度的重要性。②随着定子槽宽和气隙长度的增大,电机的寿命随之降低,随着永磁体宽度增大,电机的寿命随之增大,所以为了延长电机的寿命,应该减小定子槽宽和气隙长度,增大永磁体宽度。

本文考虑到海流发电机在海流环境下更容易发生故障,故主要从永磁体温度场的角度对海流发电机进行可靠性分析。

（1）对海流发电机进行可靠性建模及预计,同时也计算了其平均间隔故障时间。

（2）通过改变定子槽宽、气隙长度和永磁体宽度这3种尺寸,对永磁体进行磁-热耦合仿真,发现随着气隙长度和永磁体宽度的增大,永磁体的温度是呈降低的趋势,而随着槽宽的增大,永磁体的温度是呈上升的趋势,且气隙长度的变化对永磁体的温度造成的影响最大。

（3）计算并比较电机在不同尺寸下的寿命,发现电机的温度和电机的寿命呈反比关系,另外随着定子槽宽和气隙长度的增大,电机的寿命随之降低,随着永磁体宽度增大,电机的寿命随之增大。