用于5 kW便携式发电系统的永磁同步发电机设计

2012-02-22杨百鑫

微特电机 2012年7期

杨百鑫

(绍兴电力局，浙江绍兴312000)

0 引言

传统的小型发电机一般是工频发电机，体积大而笨重，移动携带也很不方便，且输出电压受原动机转速和负载的影响较大，谐波重、电压畸变率高，难以达到较高的技术指标［1］。

便携式发电系统主要由汽(柴)油机、同步发电机和控制器构成［2］，该系统大大减小了传统工频发电机的弊端，体积和重量更小，易于携带。同步发电机采用中频永磁发电机，这样省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构简单，体积小。永磁同步发电机输出三相交流中频电，需要后续控制系统通过交-直-交方案将其变为220 V单相工频交流电，结构如图1所示。

本文所考虑的便携式发电系统中，原动机转速为3 600 r/min，认为其基本保持不变。永磁发电机设计输出功率为6 kW，主电路要求输出三相电，额定负载时线电压达到300 V或更高(后续电力电子变换器要求直流母线电压达到390V，因而线电压不小于300 V，整流部分采用半控桥，因而电压略高于300 V也可)，频率为400～600 Hz，对输出电压正弦性以及电压调整率等条件要求并不严格。同时，发电机也需提供一个辅助电源作为控制器的工作电源，要求输出单相交流电，有效值达到12 V，设计输出功率100 W。

图1 便携式发电系统结构

考虑上述发电系统的要求，本文结合Ansoft相关软件的应用，利用磁路法(RMxprt)的快速计算，确定发电机定转子的大体结构和尺寸、绕组型式，然后进行有限元电磁场(Maxwell 2D)计算，修正电机的设计参数。最后制作样机进行相关实验，通过实验验证该设计的准确性。

1 永磁发电机的基本结构

1.1 电机设计的基本方式

传统的交流同步发电机设计主要针对线性的对称交流负载，而该系统中电机所带负载为非线性的，电机运行处于不对称运行状态。传统的某些电机设计方法、计算公式已不再适用于这些工况［3］。因而针对性的根据该系统的实际运行状况，设计时需将发电机及控制器作为一个系统考虑。在充分考虑上述设计要求和设计方法的基础上，结合Ansoft RMxprt软件的使用，来确定电机的结构。

Ansoft RMxprt是一个运算快速有效的电机磁路计算软件。通过RMxprt可以快速从多种设计方案中，找出符合要求的电机结构和初始尺寸。在RMxprt的用户界面中输入电机的相关参数，如定子、转子和铁心的形状尺寸、绕组结构、材料特性，程序运行后便得到了电机在稳态、无负荷、堵转、故障、额定电流、转矩和效率等曲线和参数［4］。

1.2 电机结构的确定

通过RMxprt软件的使用，可以基本得到符合该发电系统要求的电机结构和尺寸。电机采用外转子结构，16极，24槽，转子极数和定子槽数之比为2/3，采用集中式绕组，每相绕组线圈绕在一个定子齿上，每对磁极下有三个定子齿。结合系统的要求，将其中21槽安装主绕组线圈，在空余的任意一个齿上安装辅助绕组，如图2所示。该辅助绕组采用集中式结构，输出单相交流电供控制器所用。由于辅助电源输出功率较小且电压较低，本文将不对其作特别介绍。

图2 绕组结构图

用于电机的永磁材料采用钕铁硼N30，径向充磁。定子硅钢片为DR510-50，外转子直接用45号钢，不用硅钢片叠压而成。图3为电机轴向结构图。

图3 电机轴向结构图

通过初步电磁计算，发电机外转子外径190 mm，瓦片形永磁体黏贴在转子上。气隙长度1 mm。定子轴向长度50 mm，外转子轴向长度56 mm。

1.3 电机电磁分析

利用RMxprt软件，将电机参数输入后，便可以进行基于磁路法的电机运行计算，得到发电机的分析结果和特性曲线。计算可知发电机空载线电压为393 V。负载设置为6 kW阻感性，功率因数0.8。带满载后由于电枢反应和漏电感等其它因素的影响，计算显示线电压下降为320 V。从磁路法计算的结果分析，该电机基本满足发电机的设计要求，但仍需要进一步确认。

2 有限元电磁场分析

永磁电机的磁路结构多种多样，为提高计算准确度，需要进行电磁场数值分析。永磁电机电磁场数值分析主要采用有限元法、边界元法和有限差分法。目前应用最广泛的是有限元法［5］。

2.1 静磁场分析

Ansoft Maxwell 2D是基于有限元法的场分析计算仿真软件。RMxprt和Maxwell 2D具有接口功能，Maxwell 2D中需要的计算模型可以直接从RMxprt中导入，而且RMxprt的计算结果清单中的TRANSIENT FEA INPUT DATA中的参数可以直接在有限元分析中使用。

利用有限元静磁场计算可以快速得到电机的2D磁密分布图，后处理中可以知道气隙、齿部和扼部磁密分布，从这些图形可以直观地判定该电机磁路结构是否合理，并作出相应的调整。气隙磁密分布图如图4所示，符合磁密不宜过大的要求。

图4 气隙磁密分布图

2.2 瞬态场分析

瞬态电磁场分析可采用场路耦合法。在仿真设定转速为3 600 r/min的条件下，可以得到空载线电压波形，将其数据导入MATLAB中做FFT分析，基波有效值为386.6 V，THD为6.37%。

负载设置时将星形负载每个电阻值设为25 Ω，观察其在带纯阻性负载的电机输出状况。输出电压波形如图5所示，线电压基波下降至380.5 V，THD升高至9.18%，线电流输出为8.4 A。此时带纯阻性负载约为5 530 W。

图5 带纯阻性时负载线电压图

3 样机的实验和性能分析

在以上设计和仿真的基础上，制作了一台样机，以验证电机设计的准确性。实验时发电机由异步电机拖动。对该电机的实验检测从空载，直接带阻性负载，带控制器负载三个方面进行实验。空载时实测电机转速为3 580 r/min，有效值为392.6 V。当发电机带25 Ω星形负载时，实测电机转速为3 490 r/min，输出线电压下降为378.3 V，线电流 8.14 A，带载约为5.5 kW。

同时，基于磁路法计算，有限元分析仿真，样机实验的空载带载情况进行对比分析，如表1所示，表中数值均为有效值。考虑到带载时实验电机转速下降的因素，仿真计算和实际实验的结果几乎一致。实验表明该设计方法有极高的准确性。