一種新型混合勵磁永磁同步發電機的研究與設計

梅 昆， 張光榮， 張 智

(深圳市安托山特種機械有限公司，廣東深圳 518104)

0 引言

一般的永磁發電機，雖然實現了無刷化，且具有結構簡單、體積小、重量輕、高功率密度和高效率等諸多優點;但由于其磁場難以調節，使其存在輸出電壓不可控、不可調、電壓穩定性差、帶無功負載能力差等缺陷。由此，永磁同步發電機電壓的調節成為制約永磁發電機發展的一個瓶頸問題。

針對永磁發電機磁場無法調節的問題，近年來，許多發達國家，如美國、日本、英國、俄羅斯等，均投入了大量的人力、物力和財力進行理論和應用研究。他們提出了各種混合勵磁方案，成為研究的熱點。不同方案各具特點和優勢，但也都存在不足。各國對混合勵磁永磁發電機仍在繼續進行進一步的深入研究。

深圳市安托山特種機械有限公司于2009年11月開始研制混合勵磁式的雙永磁工頻無刷同步發電機新產品。雙永磁工頻無刷同步發電機是一種新型的稀土永磁工頻無刷同步發電機。該產品屬國內、外首創，已申報國家發明專利;正在申報美歐地區發明專利。

雙永磁工頻無刷同步發電機可克服原永磁工頻無刷同步發電機電壓不可調、不可控，電壓穩定性差(±10% ～±5%)，帶無功負載能力差(cos φ=0.9(滯后))等缺點;又可保留永磁工頻無刷同步發電機效率高、體積小、重量輕的優點。

1 技術原理與技術路線

1.1 采用的技術原理

雙永磁發電機采用電壓串聯補償原理，將主永磁發電機和電勵磁補償發電機定子繞組串聯組合在一起，下在一個公共的定子鐵心中。主永磁發電機的永磁轉子和電勵磁補償發電機的轉子是相互獨立的，分別提供勵磁磁通。但是，永磁轉子提供的是固定磁通;補償發電機的轉子提供的是變化的磁通，并根據電機電壓的需要自動調節。

補償轉子磁通的自動調節，是通過旋轉自動電壓調節器(AVR)根據電壓信號旋轉傳感器感知的電壓高低來進行正、反向勵磁調節。電壓高于給定值時，永磁勵磁機通過旋轉AVR對補償發電機轉子進行反向勵磁，使補償發電機發出的電壓與主永磁發電機發出的電壓反向，串聯迭加時，合成電壓下降;反之，電壓低于給定值時，為正向勵磁，使補償發電機發出的電壓與主永磁發電機發出的電壓同向，串聯迭加時，使合成電壓增加，從而達到恒定雙永磁發電機電壓的目的。

雙永磁發電機的工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙永磁發電機的工作原理圖

1.2 技術路線

雙永磁發電機采用三電機結構的混合勵磁技術路線，并將AVR放到轉子上變成旋轉AVR，對雙永磁發電機補償線圈進行正、反向勵磁調節，達到恒定雙永磁發電機輸出電壓的目的。定子上的電壓信號通過電壓信號旋轉傳感器傳遞到旋轉的轉子上，使旋轉AVR實現閉環調節。

旋轉AVR與普通電勵磁發電機的AVR是不一樣的。普通AVR只能單方向控制勵磁。旋轉AVR通過H橋可以雙方向控制勵磁，實現勵磁正反向調節。

雙永磁發電機設計策略是將主永磁發電機的空載電壓設計得高一些，通過反向勵磁將電壓整定在額定值;負載時，跌落的電壓由減少反向勵磁或增加正向勵磁來補充，使其恢復到額定電壓。該設計策略可使發電機設計得又小又輕，且可達到高效率。

2 設計方法簡介

雙永磁工頻無刷同步發電機(以下簡稱雙永磁發電機)的發明構想是根據串聯補償原理，借助機電一體化手段，提出了一種全新混合勵磁永磁工頻無刷同步發電機的設計新思路。

雙永磁發電機是一種高度機電一體化的合成技術創新產品，它由三臺發電機和一套勵磁系統組成:一臺永磁工頻無刷同步發電機，一臺同極數的電勵磁補償工頻無刷同步發電機和一臺永磁勵磁機。

2.1 主永磁發電機設計

主永磁發電機是一種凸極發電機。首先要確定設計的額定參數:額定功率、額定電壓、額定功率因數、相數、額定電流、額定頻率、額定轉速、冷卻方式。

根據雙永磁發電機設計策略，確定空載電壓設計預定值，一般為115% ～120%UN。

采用唐任遠院士著《現代永磁電機理論與設計》一書中的永磁同步發電機電磁計算程序進行電磁設計計算。

2.2 電勵磁補償發電機設計

根據主永磁發電機計算結果所得出的空載和負載所需要的電壓補償量，確定補償電機設計的額定設計參數。

采用上海電器科學研究所(集團)有限公司編著的《中小型電機設計手冊》中的凸極同步發電機電磁設計程序進行電磁設計計算。

2.3 永磁勵磁機設計

根據補償發電機電磁設計計算結果所獲得負載時的勵磁電壓和勵磁電流，以及永磁勵磁機所需考慮的強勵倍數，確定永磁勵磁機的額定設計參數。

2.4 勵磁系統設計

2.4.1 旋轉AVR設計

根據補償發電機電磁設計計算結果所獲得負載時的勵磁電壓和勵磁電流，進行具有正反向勵磁調節功能的旋轉AVR電路設計。

2.4.2 電壓信號旋轉傳感器設計

根據旋轉AVR所確定的信號電壓值，進行電壓信號旋轉傳感器設計。

3 設計依據/標準

目前國內還沒有正式、公開的永磁工頻無刷同步發電機的行業標準、企業標準，更沒有混合勵磁工頻無刷同步發電機的行業標準、企業標準。

為了規范雙永磁工頻無刷同步發電機的設計、研制和生產工作，深圳市安托山特種機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電機技術條件》，作為其設計、研制的依據。

Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發電機技術條件》制訂的技術要求，力求使雙永磁工頻無刷同步發電機達到電勵磁工頻無刷同步發電機同等的性能和功能水平。

4 解決的關鍵技術問題及所采用的技術措施

4.1 永磁主發電機最優轉子磁路結構方案的研究與技術攻關

雙永磁工頻無刷同步發電機中的永磁主發電機的轉子永磁磁路結構設計是雙永磁工頻無刷同步發電機的關鍵設計技術之一，對這一關鍵技術進行了技術攻關工作。

設計了多達5～6個轉子永磁磁路結構方案，進行了對比試驗研究。這些方案主要有:不同磁瓦厚度的面貼式轉子磁路方案、不同布置的混合式轉子磁路方案、均勻氣隙轉子磁路方案、非均勻氣隙轉子磁路方案、不同定位安裝結構方式的轉子磁路方案等。從中優化選擇了非均勻氣隙、磁瓦厚度適中、有安裝定位結構的面貼式轉子磁路結構。該結構磁場波形好、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 永磁勵磁機最優方案的研究與技術攻關

永磁勵磁機是雙永磁工頻無刷同步發電機的關鍵部件之一。它的設計好壞，將影響發電機的瞬態指標和勵磁電流大小及提供勵磁電流的能力。在永磁勵磁機中進行了許多方案的設計比較和試驗驗證;最后選擇了粘結釹鐵硼稀土永磁材料方案和多極勵磁機方案。它可減少勵磁機的匝數，改善發電機的瞬態指標，其溫度系數小，可確保高溫下勵磁電流的供給;多極勵磁機方案可減少勵磁電流值，改善補償電機轉子繞組的發熱等。

4.3 雙永磁發電機中復合定子的斜槽技術問題研究與技術攻關

眾所周知，交流發電機中由于定子齒槽的影響，空載電壓波形中會出現較大的齒諧波，會嚴重影響發電機電壓波形的正弦性畸變率。現代發電機又提高了空載電壓的波形正弦性畸變率指標，使齒諧波的影響更為突出。故常規發電機中需采用定子鐵心斜一槽的方法來消滅齒諧波。但在雙永磁發電機中，定子鐵心是兩個電機的組合鐵心。在研究中發現，斜槽設計得不好，空載電壓波形正弦性畸變率將會很差，達到13%以上。經過理論分析和試驗研究，找到了消滅齒諧波的最佳斜槽參數值或消滅方法——斜1.05個槽或采用磁性槽楔的方法。樣機實測空載線/相電壓波形正弦性畸變率均約為2.6%。

4.4 旋轉AVR電壓調節器的研究與技術攻關

具有正、反向勵磁調節功能的旋轉AVR電壓調節器是雙永磁工頻無刷同步發電機的核心部件，是雙永磁工頻無刷同步發電機成功的必要條件。旋轉AVR電壓調節器目前在國內外還未發現有此裝置。它是一個重要創新發明點，但也是一個關鍵技術難點。經過3～4輪的研究試制，花費近一年多時間才最終技術攻關成功，完成了旋轉AVR的制作。該旋轉AVR性能優良，空載電壓調幅范圍達到±10%，穩態電壓調整率指標達到±1%。旋轉AVR還同時進行了旋轉問題的可靠性設計。首先，對旋轉AVR進行了小型化設計，采用了貼片電子元件;AVR進行了灌封膠封裝設計;AVR的功率元件按最佳可靠性安裝位置進行安裝設計等。旋轉AVR目前已累計進行了1 000 h的旋轉可靠性試驗，結果未發生任何故障，非常可靠。

4.5 電壓信號旋轉傳遞裝置的關鍵技術的研究與技術攻關

電壓信號旋轉傳遞裝置是雙永磁工頻無刷同步發電機又一核心部件。電壓信號旋轉傳遞裝置目前在國內還未發現有此類裝置，是一個重要創新發明點，也是一個關鍵技術難點。對此關鍵技術組織力量進行了多輪攻關，共設計了3～4個設計方案，主要有:纖維滑環信號傳遞方案、光電轉換信號傳遞方案、霍爾元件信號傳遞方案、信號發電機傳遞方案、信號旋轉傳感器方案等。經過方案分析和試驗驗證，最終選擇了信號旋轉傳感器方案，此方案信號傳遞準確，工作可靠性高。

5 技術性能指標試驗結果

2011年7月28日，該公司委托國家中小型電機質量監督檢驗中心對送試的ATS.K-12 12 kVA雙永磁發電機三臺樣機進行了全面鑒定試驗。試驗依據是GB/T1029—2005《三相同步電機試驗方法》和Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發電機技術條件》及ATS.K-12-JG《12 kVA雙永磁發電機鑒定試驗大綱》。試驗結果表明，全部性能指標及功能要求均滿足Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發電機技術條件》的要求，有些指標達到國際同類產品的先進水平。例如，發電機的效率指標高達90%，發電機的瞬態電壓指標遠高于ISO8528標準中的G3級(最高級)水平，瞬態電壓調整率達到+13.91%，－10.87% 的高水平，恢復時間達到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電機技術性能指標達標情況對照表

6 技術成熟程度及推廣應用前景

6.1 技術成熟程度

雙永磁發電機是一種創新的組合技術產品，其大部分技術都是成熟的。純永磁發電機的設計與制造技術在我國已有20多年的歷史，早已成熟;電勵磁發電機的設計與制造技術更是一項早已普及了的成熟技術;雙永磁發電機中的電子部件——AVR的制造在國內、外也是非常成熟的技術;雙永磁發電機的創新組合結構也是傳統結構，沒有什么難點。故，雙永磁發電機技術非常成熟，且便于制造。

6.2 推廣應用前景

從理論上來講，雙永磁工頻無刷三相同步發電機技術可以應用在所有的發電機中，包括單相、三相及工頻、中頻、直流等無刷發電機中;從功率范圍看，可以推廣到全部的中小型功率范圍內。雙永磁工頻無刷三相同步發電機最具競爭力的市場是中、小功率的軍用內燃發電機組市場和各行業的備用電站及要求高效率的通信行業電站市場和歐、美家用備用電站市場等。

7 結語

雙永磁工頻無刷同步發電機樣機經國家中小型電機質量監督檢測中心(上海)進行了全面的鑒定試驗，測試結果表明:雙永磁發電機的方案可行，性能指標先進，技術成熟。

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

［2］黃守道，肖紅霞，任光法，等.雙電壓復合勵磁稀土永磁同步發電機設計研究［J］.微特電機，2004(9):18-20.

［3］肖慧慧，黃守道，葛照強.復合勵磁稀土永磁同步發電機輔助電勵磁部分的設計與研究［J］.電機與控制應用，2006(9):12-14.

［4］上海電器科學研究所.中小型電機設計手冊［M］.北京:北京機械工業出版社，1995.