矿山自卸车用六相同步发电机空载特性的仿真分析

于 冰，黄鹏程，周黎民

(南车株洲电机有限公司，湖南株洲412001)

0 引 言

矿山自卸车是大型矿山的高效运输设备，主要分布在煤炭等行业。其中柴油发电系统作为自卸车电传动系统的组成部分，为自卸车提供电能。而同步发电机是柴油发电系统的重要组成部分，采用六相双Y移30°同步发电机可消除基本电流产生的5、7次等高次谐波磁势和5、7次谐波产生的基波磁势，可以减小附加损耗，降低定子绕组和铁心的由于电磁引起的振动，并且可降低整流输出电流的纹波系数，所以其得到了越来越广泛的应用。发电机的空载特性体现电机的饱和程度，对电机设计的合理性有一定的指导意义，但传统的基于集中参数的磁路设计方法，对于这种六相双Y移30°绕组的同步发电机，由于经验系数和修正曲线的缺乏，造成了计算值与实际值有一定的偏差。而基于有限元的设计方法，从电磁场的本质出发，具有一定设计精度。本文以某型号矿山自卸车用1 600 kVA六相双Y绕组同步发电机为例，利用有限元法，对其空载特型进行电磁场仿真分析［1-3］。

1 仿真模型的建立

1.1 电磁场方程

本文利用时变运动电磁场有限元模型计算电机的电磁场。基于以下原理，瞬态电磁场偏微分方程:

式中:A为矢量磁位;u为磁导率;σ为电导率;V为运动媒介速度;JS为源电流密度。

加入边界条件，可得到电机瞬态电磁场的定解方程:

式中:Ω为求解区域;S1为定子外径边界条件。

1.2 电机的主要参数

六相双Y移30°绕组同步发电机额定点主要参数如表1所示。

表1 电机主要参数

六相双Y移30°绕组同步发电机的几何模型如图1所示。

图1 电机几何模型

2 仿真过程及结果

利用有限元软件建立电机的模型，采用四面体有限单元，得到的剖分图如图2所示。

图2 电机剖分

六相绕组赋值零电流激励，等效绕组开路，并参数化励磁电流If，当绕组端部电压为额定电压时，此时的励磁电流即为空载励磁电流，相对应的工况即为空载工况，得到空载励磁电流If0=176.57 A，电机的空载磁场分布如图3所示，可见电机的磁场分布无异常。

图3 空载磁场分布

电机的各相空载感应电动势曲线如图4所示，同组各相间相差120°电角度，不同组对应相相差30°电角度，可见绕组连接正确。

参数化励磁电流If，并得到对应空载感应电动势E0(线)，得到电机的空载特性曲线，如图5所示。

3 试验结果

根据上文的仿真结果，制造样机，进行空载试验，样机及试验装置如图6所示。

电机的空载特性的试验值与基于有限元法的设计值和基于传统磁路法的计算值的对比如图7所示，可见基于有限元法的设计值与基于传统磁路法的计算值相比，基于有限元法的设计值与试验值有更好的吻合度，从而说明基于有限元法的仿真计算结果有更好的准确性，并且它对实际的样机制造有一定指导与参考意义。

4 结 语

利用有限元法，对一台矿山自卸车用1 600 KVA六相双Y绕组同步发电机的空载特型进行电磁场仿真分析，并制造样机，进行空载特性试验。试验结果表明，基于有限元法的电磁场仿真分析结果与基于传统磁路法的计算值相比，基于有限元法的设计值与试验值有更好的吻合度，可见本文的仿真方法与计算结果具有一定指导与参考意义。

［1］ 何友观.中小型同步发电机励磁系统的分析与设计［M］.北京:机械工业出版社，1988.

［2］ 许实章.交流电机的绕组理论［M］.北京:机械工业出版社，1985.

［3］ Jatskevich J，Aboul-Seoud T.Impedance characterization of a six-phase synchronous generator-rectifier system using averagevalue model［J］.IEEE Electrical and Computer Engineering.2004，2-5(5):2231-2234.

［4］ 杨青，马伟明，孙俊忠，等.3/3相双绕组发电机系统的等效电路模型［J］.中国电机工程学报，2003(3):93-98.

［5］ 黄劭刚，夏永洪，张景明.基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析［J］.微特电机，2004(5):12-14.