用于5 kW便攜式發電系統的永磁同步發電機設計

楊百鑫

(紹興電力局，浙江紹興312000)

0 引 言

傳統的小型發電機一般是工頻發電機，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指標［1］。

便攜式發電系統主要由汽(柴)油機、同步發電機和控制器構成［2］，該系統大大減小了傳統工頻發電機的弊端，體積和重量更小，易于攜帶。同步發電機采用中頻永磁發電機，這樣省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環和電刷，結構簡單，體積小。永磁同步發電機輸出三相交流中頻電，需要后續控制系統通過交-直-交方案將其變為220 V單相工頻交流電，結構如圖1所示。

本文所考慮的便攜式發電系統中，原動機轉速為3 600 r/min，認為其基本保持不變。永磁發電機設計輸出功率為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整率等條件要求并不嚴格。同時，發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，設計輸出功率100 W。

圖1 便攜式發電系統結構

考慮上述發電系統的要求，本文結合Ansoft相關軟件的應用，利用磁路法(RMxprt)的快速計算，確定發電機定轉子的大體結構和尺寸、繞組型式，然后進行有限元電磁場(Maxwell 2D)計算，修正電機的設計參數。最后制作樣機進行相關實驗，通過實驗驗證該設計的準確性。

1 永磁發電機的基本結構

1.1 電機設計的基本方式

傳統的交流同步發電機設計主要針對線性的對稱交流負載，而該系統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。傳統的某些電機設計方法、計算公式已不再適用于這些工況［3］。因而針對性的根據該系統的實際運行狀況，設計時需將發電機及控制器作為一個系統考慮。在充分考慮上述設計要求和設計方法的基礎上，結合Ansoft RMxprt軟件的使用，來確定電機的結構。

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

1.2 電機結構的確定

通過RMxprt軟件的使用，可以基本得到符合該發電系統要求的電機結構和尺寸。電機采用外轉子結構，16極，24槽，轉子極數和定子槽數之比為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。結合系統的要求，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構，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 繞組結構圖

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，外轉子直接用45號鋼，不用硅鋼片疊壓而成。圖3為電機軸向結構圖。

圖3 電機軸向結構圖

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

1.3 電機電磁分析

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

2 有限元電磁場分析

永磁電機的磁路結構多種多樣，為提高計算準確度，需要進行電磁場數值分析。永磁電機電磁場數值分析主要采用有限元法、邊界元法和有限差分法。目前應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的計算結果清單中的TRANSIENT FEA INPUT DATA中的參數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構是否合理，并作出相應的調整。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 瞬態場分析

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

負載設置時將星形負載每個電阻值設為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

在以上設計和仿真的基礎上，制作了一臺樣機，以驗證電機設計的準確性。實驗時發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。空載時實測電機轉速為3 580 r/min，有效值為392.6 V。當發電機帶25 Ω星形負載時，實測電機轉速為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，表中數值均為有效值。考慮到帶載時實驗電機轉速下降的因素，仿真計算和實際實驗的結果幾乎一致。實驗表明該設計方法有極高的準確性。

表1 仿真和實驗數據對照表

實際應用時，三相電輸出并不直接帶負載，而是通過控制器的處理，將三相交流轉換為220 V工頻交流電。圖6為發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。可知該系統可順利帶載，發電機符合設計要求。

圖6 輸出工頻電壓電流波形

4 結 語

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

［1］ 俞楊威.基于DSP的移動式發電機逆變電源研制［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電機設計特點［J］.防爆電機，2005(4)：4-8.

［4］ 張岳.Ansoft在直驅式永磁風力發電機設計中的應用［J］.微特電機，2008(11)：23-24.

［5］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，1997.

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