用于5 kW便攜式發(fā)電系統(tǒng)的永磁同步發(fā)電機設(shè)計

楊百鑫

(紹興電力局，浙江紹興312000)

0 引 言

傳統(tǒng)的小型發(fā)電機一般是工頻發(fā)電機，體積大而笨重，移動攜帶也很不方便，且輸出電壓受原動機轉(zhuǎn)速和負載的影響較大，諧波重、電壓畸變率高，難以達到較高的技術(shù)指標［1］。

便攜式發(fā)電系統(tǒng)主要由汽(柴)油機、同步發(fā)電機和控制器構(gòu)成［2］，該系統(tǒng)大大減小了傳統(tǒng)工頻發(fā)電機的弊端，體積和重量更小，易于攜帶。同步發(fā)電機采用中頻永磁發(fā)電機，這樣省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單，體積小。永磁同步發(fā)電機輸出三相交流中頻電，需要后續(xù)控制系統(tǒng)通過交-直-交方案將其變?yōu)?20 V單相工頻交流電，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文所考慮的便攜式發(fā)電系統(tǒng)中，原動機轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，認為其基本保持不變。永磁發(fā)電機設(shè)計輸出功率為6 kW，主電路要求輸出三相電，額定負載時線電壓達到300 V或更高(后續(xù)電力電子變換器要求直流母線電壓達到390V，因而線電壓不小于300 V，整流部分采用半控橋，因而電壓略高于300 V也可)，頻率為400～600 Hz，對輸出電壓正弦性以及電壓調(diào)整率等條件要求并不嚴格。同時，發(fā)電機也需提供一個輔助電源作為控制器的工作電源，要求輸出單相交流電，有效值達到12 V，設(shè)計輸出功率100 W。

圖1 便攜式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮上述發(fā)電系統(tǒng)的要求，本文結(jié)合Ansoft相關(guān)軟件的應(yīng)用，利用磁路法(RMxprt)的快速計算，確定發(fā)電機定轉(zhuǎn)子的大體結(jié)構(gòu)和尺寸、繞組型式，然后進行有限元電磁場(Maxwell 2D)計算，修正電機的設(shè)計參數(shù)。最后制作樣機進行相關(guān)實驗，通過實驗驗證該設(shè)計的準確性。

1 永磁發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)

1.1 電機設(shè)計的基本方式

傳統(tǒng)的交流同步發(fā)電機設(shè)計主要針對線性的對稱交流負載，而該系統(tǒng)中電機所帶負載為非線性的，電機運行處于不對稱運行狀態(tài)。傳統(tǒng)的某些電機設(shè)計方法、計算公式已不再適用于這些工況［3］。因而針對性的根據(jù)該系統(tǒng)的實際運行狀況，設(shè)計時需將發(fā)電機及控制器作為一個系統(tǒng)考慮。在充分考慮上述設(shè)計要求和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合Ansoft RMxprt軟件的使用，來確定電機的結(jié)構(gòu)。

Ansoft RMxprt是一個運算快速有效的電機磁路計算軟件。通過RMxprt可以快速從多種設(shè)計方案中，找出符合要求的電機結(jié)構(gòu)和初始尺寸。在RMxprt的用戶界面中輸入電機的相關(guān)參數(shù)，如定子、轉(zhuǎn)子和鐵心的形狀尺寸、繞組結(jié)構(gòu)、材料特性，程序運行后便得到了電機在穩(wěn)態(tài)、無負荷、堵轉(zhuǎn)、故障、額定電流、轉(zhuǎn)矩和效率等曲線和參數(shù)［4］。

1.2 電機結(jié)構(gòu)的確定

通過RMxprt軟件的使用，可以基本得到符合該發(fā)電系統(tǒng)要求的電機結(jié)構(gòu)和尺寸。電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，16極，24槽，轉(zhuǎn)子極數(shù)和定子槽數(shù)之比為2/3，采用集中式繞組，每相繞組線圈繞在一個定子齒上，每對磁極下有三個定子齒。結(jié)合系統(tǒng)的要求，將其中21槽安裝主繞組線圈，在空余的任意一個齒上安裝輔助繞組，如圖2所示。該輔助繞組采用集中式結(jié)構(gòu)，輸出單相交流電供控制器所用。由于輔助電源輸出功率較小且電壓較低，本文將不對其作特別介紹。

圖2 繞組結(jié)構(gòu)圖

用于電機的永磁材料采用釹鐵硼N30，徑向充磁。定子硅鋼片為DR510-50，外轉(zhuǎn)子直接用45號鋼，不用硅鋼片疊壓而成。圖3為電機軸向結(jié)構(gòu)圖。

圖3 電機軸向結(jié)構(gòu)圖

通過初步電磁計算，發(fā)電機外轉(zhuǎn)子外徑190 mm，瓦片形永磁體黏貼在轉(zhuǎn)子上。氣隙長度1 mm。定子軸向長度50 mm，外轉(zhuǎn)子軸向長度56 mm。

1.3 電機電磁分析

利用RMxprt軟件，將電機參數(shù)輸入后，便可以進行基于磁路法的電機運行計算，得到發(fā)電機的分析結(jié)果和特性曲線。計算可知發(fā)電機空載線電壓為393 V。負載設(shè)置為6 kW阻感性，功率因數(shù)0.8。帶滿載后由于電樞反應(yīng)和漏電感等其它因素的影響，計算顯示線電壓下降為320 V。從磁路法計算的結(jié)果分析，該電機基本滿足發(fā)電機的設(shè)計要求，但仍需要進一步確認。

2 有限元電磁場分析

永磁電機的磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，為提高計算準確度，需要進行電磁場數(shù)值分析。永磁電機電磁場數(shù)值分析主要采用有限元法、邊界元法和有限差分法。目前應(yīng)用最廣泛的是有限元法［5］。

2.1 靜磁場分析

Ansoft Maxwell 2D是基于有限元法的場分析計算仿真軟件。RMxprt和Maxwell 2D具有接口功能，Maxwell 2D中需要的計算模型可以直接從RMxprt中導入，而且RMxprt的計算結(jié)果清單中的TRANSIENT FEA INPUT DATA中的參數(shù)可以直接在有限元分析中使用。

利用有限元靜磁場計算可以快速得到電機的2D磁密分布圖，后處理中可以知道氣隙、齒部和扼部磁密分布，從這些圖形可以直觀地判定該電機磁路結(jié)構(gòu)是否合理，并作出相應(yīng)的調(diào)整。氣隙磁密分布圖如圖4所示，符合磁密不宜過大的要求。

圖4 氣隙磁密分布圖

2.2 瞬態(tài)場分析

瞬態(tài)電磁場分析可采用場路耦合法。在仿真設(shè)定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min的條件下，可以得到空載線電壓波形，將其數(shù)據(jù)導入MATLAB中做FFT分析，基波有效值為386.6 V，THD為6.37%。

負載設(shè)置時將星形負載每個電阻值設(shè)為25 Ω，觀察其在帶純阻性負載的電機輸出狀況。輸出電壓波形如圖5所示，線電壓基波下降至380.5 V，THD升高至9.18%，線電流輸出為8.4 A。此時帶純阻性負載約為5 530 W。

圖5 帶純阻性時負載線電壓圖

3 樣機的實驗和性能分析

在以上設(shè)計和仿真的基礎(chǔ)上，制作了一臺樣機，以驗證電機設(shè)計的準確性。實驗時發(fā)電機由異步電機拖動。對該電機的實驗檢測從空載，直接帶阻性負載，帶控制器負載三個方面進行實驗?？蛰d時實測電機轉(zhuǎn)速為3 580 r/min，有效值為392.6 V。當發(fā)電機帶25 Ω星形負載時，實測電機轉(zhuǎn)速為3 490 r/min，輸出線電壓下降為378.3 V，線電流 8.14 A，帶載約為5.5 kW。

同時，基于磁路法計算，有限元分析仿真，樣機實驗的空載帶載情況進行對比分析，如表1所示，表中數(shù)值均為有效值?？紤]到帶載時實驗電機轉(zhuǎn)速下降的因素，仿真計算和實際實驗的結(jié)果幾乎一致。實驗表明該設(shè)計方法有極高的準確性。

表1 仿真和實驗數(shù)據(jù)對照表

實際應(yīng)用時，三相電輸出并不直接帶負載，而是通過控制器的處理，將三相交流轉(zhuǎn)換為220 V工頻交流電。圖6為發(fā)電機接控制器后輸出的電壓電流波形。帶負載后，輸出電壓的正弦性仍舊保持很好，THD保持在5%以內(nèi)。可知該系統(tǒng)可順利帶載，發(fā)電機符合設(shè)計要求。

圖6 輸出工頻電壓電流波形

4 結(jié) 語

本文通過Ansoft相關(guān)軟件的使用，利用磁路法，有限元分析等方法，通過仿真得到電磁參數(shù)滿足設(shè)計要求的永磁發(fā)電機。通過樣機的制作和實驗，仿真結(jié)果和實際實驗值保持一致。因而利用該方法設(shè)計電機有極大地準確性。而設(shè)計的發(fā)電機由于體積小，功率密度大的優(yōu)點，有著很好的研究和應(yīng)用前景。

［1］ 俞楊威.基于DSP的移動式發(fā)電機逆變電源研制［D］.浙江大學，2007.

［2］ 焦營營，姚福安.便攜式汽油發(fā)電機逆變電源的研制［J］.機電一體化，2006(2)：26-29.

［3］ 李保來，蘭建軍.帶整流負載的同步發(fā)電機設(shè)計特點［J］.防爆電機，2005(4)：4-8.

［4］ 張岳.Ansoft在直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機設(shè)計中的應(yīng)用［J］.微特電機，2008(11)：23-24.

［5］ 唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［6］ 朱少林，王群京.基于Ansoft的永磁同步發(fā)電機建模與仿真［J］.2008(4)：1-4.