一種新型混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

梅 昆， 張光榮， 張 智

(深圳市安托山特種機(jī)械有限公司，廣東深圳 518104)

0 引言

一般的永磁發(fā)電機(jī)，雖然實(shí)現(xiàn)了無刷化，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、高功率密度和高效率等諸多優(yōu)點(diǎn);但由于其磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，使其存在輸出電壓不可控、不可調(diào)、電壓穩(wěn)定性差、帶無功負(fù)載能力差等缺陷。由此，永磁同步發(fā)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)成為制約永磁發(fā)電機(jī)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。

針對(duì)永磁發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)無法調(diào)節(jié)的問題，近年來，許多發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、英國、俄羅斯等，均投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行理論和應(yīng)用研究。他們提出了各種混合勵(lì)磁方案，成為研究的熱點(diǎn)。不同方案各具特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但也都存在不足。各國對(duì)混合勵(lì)磁永磁發(fā)電機(jī)仍在繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

深圳市安托山特種機(jī)械有限公司于2009年11月開始研制混合勵(lì)磁式的雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)新產(chǎn)品。雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)是一種新型的稀土永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)。該產(chǎn)品屬國內(nèi)、外首創(chuàng)，已申報(bào)國家發(fā)明專利;正在申報(bào)美歐地區(qū)發(fā)明專利。

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)可克服原永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)電壓不可調(diào)、不可控，電壓穩(wěn)定性差(±10% ～±5%)，帶無功負(fù)載能力差(cos φ=0.9(滯后))等缺點(diǎn);又可保留永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)效率高、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。

1 技術(shù)原理與技術(shù)路線

1.1 采用的技術(shù)原理

雙永磁發(fā)電機(jī)采用電壓串聯(lián)補(bǔ)償原理，將主永磁發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁補(bǔ)償發(fā)電機(jī)定子繞組串聯(lián)組合在一起，下在一個(gè)公共的定子鐵心中。主永磁發(fā)電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子和電勵(lì)磁補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是相互獨(dú)立的，分別提供勵(lì)磁磁通。但是，永磁轉(zhuǎn)子提供的是固定磁通;補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供的是變化的磁通，并根據(jù)電機(jī)電壓的需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。

補(bǔ)償轉(zhuǎn)子磁通的自動(dòng)調(diào)節(jié)，是通過旋轉(zhuǎn)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)根據(jù)電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳感器感知的電壓高低來進(jìn)行正、反向勵(lì)磁調(diào)節(jié)。電壓高于給定值時(shí)，永磁勵(lì)磁機(jī)通過旋轉(zhuǎn)AVR對(duì)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行反向勵(lì)磁，使補(bǔ)償發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與主永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓反向，串聯(lián)迭加時(shí)，合成電壓下降;反之，電壓低于給定值時(shí)，為正向勵(lì)磁，使補(bǔ)償發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與主永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓同向，串聯(lián)迭加時(shí)，使合成電壓增加，從而達(dá)到恒定雙永磁發(fā)電機(jī)電壓的目的。

雙永磁發(fā)電機(jī)的工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙永磁發(fā)電機(jī)的工作原理圖

1.2 技術(shù)路線

雙永磁發(fā)電機(jī)采用三電機(jī)結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁技術(shù)路線，并將AVR放到轉(zhuǎn)子上變成旋轉(zhuǎn)AVR，對(duì)雙永磁發(fā)電機(jī)補(bǔ)償線圈進(jìn)行正、反向勵(lì)磁調(diào)節(jié)，達(dá)到恒定雙永磁發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。定子上的電壓信號(hào)通過電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳感器傳遞到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，使旋轉(zhuǎn)AVR實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

旋轉(zhuǎn)AVR與普通電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的AVR是不一樣的。普通AVR只能單方向控制勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)AVR通過H橋可以雙方向控制勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁正反向調(diào)節(jié)。

雙永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)策略是將主永磁發(fā)電機(jī)的空載電壓設(shè)計(jì)得高一些，通過反向勵(lì)磁將電壓整定在額定值;負(fù)載時(shí)，跌落的電壓由減少反向勵(lì)磁或增加正向勵(lì)磁來補(bǔ)充，使其恢復(fù)到額定電壓。該設(shè)計(jì)策略可使發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)得又小又輕，且可達(dá)到高效率。

2 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱雙永磁發(fā)電機(jī))的發(fā)明構(gòu)想是根據(jù)串聯(lián)補(bǔ)償原理，借助機(jī)電一體化手段，提出了一種全新混合勵(lì)磁永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)新思路。

雙永磁發(fā)電機(jī)是一種高度機(jī)電一體化的合成技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，它由三臺(tái)發(fā)電機(jī)和一套勵(lì)磁系統(tǒng)組成:一臺(tái)永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)，一臺(tái)同極數(shù)的電勵(lì)磁補(bǔ)償工頻無刷同步發(fā)電機(jī)和一臺(tái)永磁勵(lì)磁機(jī)。

2.1 主永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

主永磁發(fā)電機(jī)是一種凸極發(fā)電機(jī)。首先要確定設(shè)計(jì)的額定參數(shù):額定功率、額定電壓、額定功率因數(shù)、相數(shù)、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、冷卻方式。

根據(jù)雙永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)策略，確定空載電壓設(shè)計(jì)預(yù)定值，一般為115% ～120%UN。

采用唐任遠(yuǎn)院士著《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)》一書中的永磁同步發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算程序進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2 電勵(lì)磁補(bǔ)償發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)主永磁發(fā)電機(jī)計(jì)算結(jié)果所得出的空載和負(fù)載所需要的電壓補(bǔ)償量，確定補(bǔ)償電機(jī)設(shè)計(jì)的額定設(shè)計(jì)參數(shù)。

采用上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司編著的《中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的凸極同步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3 永磁勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果所獲得負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流，以及永磁勵(lì)磁機(jī)所需考慮的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，確定永磁勵(lì)磁機(jī)的額定設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.4 勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 旋轉(zhuǎn)AVR設(shè)計(jì)

根據(jù)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果所獲得負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流，進(jìn)行具有正反向勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能的旋轉(zhuǎn)AVR電路設(shè)計(jì)。

2.4.2 電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)AVR所確定的信號(hào)電壓值，進(jìn)行電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)/標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)還沒有正式、公開的永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更沒有混合勵(lì)磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

為了規(guī)范雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)工作，深圳市安托山特種機(jī)械有限公司特制定了Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》，作為其設(shè)計(jì)、研制的依據(jù)。

Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》制訂的技術(shù)要求，力求使雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)達(dá)到電勵(lì)磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)同等的性能和功能水平。

4 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及所采用的技術(shù)措施

4.1 永磁主發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)方案的研究與技術(shù)攻關(guān)

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)中的永磁主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)之一，對(duì)這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)工作。

設(shè)計(jì)了多達(dá)5～6個(gè)轉(zhuǎn)子永磁磁路結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。這些方案主要有:不同磁瓦厚度的面貼式轉(zhuǎn)子磁路方案、不同布置的混合式轉(zhuǎn)子磁路方案、均勻氣隙轉(zhuǎn)子磁路方案、非均勻氣隙轉(zhuǎn)子磁路方案、不同定位安裝結(jié)構(gòu)方式的轉(zhuǎn)子磁路方案等。從中優(yōu)化選擇了非均勻氣隙、磁瓦厚度適中、有安裝定位結(jié)構(gòu)的面貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)波形好、電壓波形畸變率小、固有電壓變化小、磁瓦安裝工藝好、工效高。

4.2 永磁勵(lì)磁機(jī)最優(yōu)方案的研究與技術(shù)攻關(guān)

永磁勵(lì)磁機(jī)是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。它的設(shè)計(jì)好壞，將影響發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)指標(biāo)和勵(lì)磁電流大小及提供勵(lì)磁電流的能力。在永磁勵(lì)磁機(jī)中進(jìn)行了許多方案的設(shè)計(jì)比較和試驗(yàn)驗(yàn)證;最后選擇了粘結(jié)釹鐵硼稀土永磁材料方案和多極勵(lì)磁機(jī)方案。它可減少勵(lì)磁機(jī)的匝數(shù)，改善發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)指標(biāo)，其溫度系數(shù)小，可確保高溫下勵(lì)磁電流的供給;多極勵(lì)磁機(jī)方案可減少勵(lì)磁電流值，改善補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱等。

4.3 雙永磁發(fā)電機(jī)中復(fù)合定子的斜槽技術(shù)問題研究與技術(shù)攻關(guān)

眾所周知，交流發(fā)電機(jī)中由于定子齒槽的影響，空載電壓波形中會(huì)出現(xiàn)較大的齒諧波，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)電壓波形的正弦性畸變率?，F(xiàn)代發(fā)電機(jī)又提高了空載電壓的波形正弦性畸變率指標(biāo)，使齒諧波的影響更為突出。故常規(guī)發(fā)電機(jī)中需采用定子鐵心斜一槽的方法來消滅齒諧波。但在雙永磁發(fā)電機(jī)中，定子鐵心是兩個(gè)電機(jī)的組合鐵心。在研究中發(fā)現(xiàn)，斜槽設(shè)計(jì)得不好，空載電壓波形正弦性畸變率將會(huì)很差，達(dá)到13%以上。經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)研究，找到了消滅齒諧波的最佳斜槽參數(shù)值或消滅方法——斜1.05個(gè)槽或采用磁性槽楔的方法。樣機(jī)實(shí)測(cè)空載線/相電壓波形正弦性畸變率均約為2.6%。

4.4 旋轉(zhuǎn)AVR電壓調(diào)節(jié)器的研究與技術(shù)攻關(guān)

具有正、反向勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能的旋轉(zhuǎn)AVR電壓調(diào)節(jié)器是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)的核心部件，是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)成功的必要條件。旋轉(zhuǎn)AVR電壓調(diào)節(jié)器目前在國內(nèi)外還未發(fā)現(xiàn)有此裝置。它是一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)明點(diǎn)，但也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)過3～4輪的研究試制，花費(fèi)近一年多時(shí)間才最終技術(shù)攻關(guān)成功，完成了旋轉(zhuǎn)AVR的制作。該旋轉(zhuǎn)AVR性能優(yōu)良，空載電壓調(diào)幅范圍達(dá)到±10%，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率指標(biāo)達(dá)到±1%。旋轉(zhuǎn)AVR還同時(shí)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)問題的可靠性設(shè)計(jì)。首先，對(duì)旋轉(zhuǎn)AVR進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)，采用了貼片電子元件;AVR進(jìn)行了灌封膠封裝設(shè)計(jì);AVR的功率元件按最佳可靠性安裝位置進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)等。旋轉(zhuǎn)AVR目前已累計(jì)進(jìn)行了1 000 h的旋轉(zhuǎn)可靠性試驗(yàn)，結(jié)果未發(fā)生任何故障，非?？煽?。

4.5 電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的關(guān)鍵技術(shù)的研究與技術(shù)攻關(guān)

電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)又一核心部件。電壓信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置目前在國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)有此類裝置，是一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)明點(diǎn)，也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)此關(guān)鍵技術(shù)組織力量進(jìn)行了多輪攻關(guān)，共設(shè)計(jì)了3～4個(gè)設(shè)計(jì)方案，主要有:纖維滑環(huán)信號(hào)傳遞方案、光電轉(zhuǎn)換信號(hào)傳遞方案、霍爾元件信號(hào)傳遞方案、信號(hào)發(fā)電機(jī)傳遞方案、信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳感器方案等。經(jīng)過方案分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終選擇了信號(hào)旋轉(zhuǎn)傳感器方案，此方案信號(hào)傳遞準(zhǔn)確，工作可靠性高。

5 技術(shù)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2011年7月28日，該公司委托國家中小型電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)送試的ATS.K-12 12 kVA雙永磁發(fā)電機(jī)三臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了全面鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)是GB/T1029—2005《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》和Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》及ATS.K-12-JG《12 kVA雙永磁發(fā)電機(jī)鑒定試驗(yàn)大綱》。試驗(yàn)結(jié)果表明，全部性能指標(biāo)及功能要求均滿足Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》的要求，有些指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。例如，發(fā)電機(jī)的效率指標(biāo)高達(dá)90%，發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)電壓指標(biāo)遠(yuǎn)高于ISO8528標(biāo)準(zhǔn)中的G3級(jí)(最高級(jí))水平，瞬態(tài)電壓調(diào)整率達(dá)到+13.91%，－10.87% 的高水平，恢復(fù)時(shí)間達(dá)到0.298 s的高水平，如表1所示。

表1 12 kVA雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況對(duì)照表

6 技術(shù)成熟程度及推廣應(yīng)用前景

6.1 技術(shù)成熟程度

雙永磁發(fā)電機(jī)是一種創(chuàng)新的組合技術(shù)產(chǎn)品，其大部分技術(shù)都是成熟的。純永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在我國已有20多年的歷史，早已成熟;電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)更是一項(xiàng)早已普及了的成熟技術(shù);雙永磁發(fā)電機(jī)中的電子部件——AVR的制造在國內(nèi)、外也是非常成熟的技術(shù);雙永磁發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新組合結(jié)構(gòu)也是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，沒有什么難點(diǎn)。故，雙永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)非常成熟，且便于制造。

6.2 推廣應(yīng)用前景

從理論上來講，雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用在所有的發(fā)電機(jī)中，包括單相、三相及工頻、中頻、直流等無刷發(fā)電機(jī)中;從功率范圍看，可以推廣到全部的中小型功率范圍內(nèi)。雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機(jī)最具競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)是中、小功率的軍用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組市場(chǎng)和各行業(yè)的備用電站及要求高效率的通信行業(yè)電站市場(chǎng)和歐、美家用備用電站市場(chǎng)等。

7 結(jié)語

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)經(jīng)國家中小型電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心(上海)進(jìn)行了全面的鑒定試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明:雙永磁發(fā)電機(jī)的方案可行，性能指標(biāo)先進(jìn)，技術(shù)成熟。

［1］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

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［4］上海電器科學(xué)研究所.中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社，1995.