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| 用于5 kw便携式发电系统的永磁同步发电机设计(zxj) |
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摘要：根据便携式发电系统对发电机的设计要求，详细阐述了电机的结构和工作原理。并且利用磁路法和电磁场有限元分析，通过场路结合的方法，设计并制作台用于5 kw便携式发电系统的中频永磁发电机。通过样机的实验验证，该设计方法有较大的实用性和准确性。且该永磁发电机由于体积小、重量轻、功率密度大的特点，有较好的应用前景。
关键词：Ansoft；永磁同步发电机；有限元；场路结合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。
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，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一直一交方案将其变为220 V单相丁频交流电，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6kw，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300V，整流部分采用半控桥，凶而电压略高于300 V也可)，频率为400～600Hz，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100w。
考虑上述发电系统的要求，本文结合Anson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“。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Anson RMx—pr[软件的使用，来确定电机的结构。
Anson 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RM—xprt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。
1 2电机结构的确定通过RMxpn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，转于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。
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DB510—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。
通过初步电磁计算，发电机外转子外径190mm，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电机电磁分析利用刚Vlxprt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****泛的是有限元法。
2.1静磁场分析Anson MaxweLL 2D是基于有限元法的场分析计算仿真软件。RMxprt和MawelI 2D具有接口功能，MaXWe-Il 2D中需要的计算模型可以直接从RMxpr[中导人，而且RMxprt的计算结果清单中的TRANSI—ENT FEA INPLIT 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，符合磁密不官过大的要求。
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 6…00 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F盯分析，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 n，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。
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¨r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 n星形负载时，实测电机转速为3—490r／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l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。
实际应用时，三相电输出并不直接带负载，而是通过控制器的处理，将二相交流转换为220V工频交流电。图6为发电机接控制器后输出的电压电流波形。带负载后，输出电压的正弦性仍旧保持很好，lIHD保持在5％以内。可知该系统几j顺利带载，发电机符合没计要求。
4结语本文通过Anson相关软件的使用，利用磁路法，有限兀分析等方法，通过仿真得到电磁参数满足设计要求的永磁发电机。通过样机的制作和实验，仿真结果和实际实验值保持一致冈而利用该方法设计电机有极大地准确性。而设计的发电机由于体积小，功率密度大的优点，有着很好的研究和应用前景。 |
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