一种新型混合励磁永磁同步发电机的研究与设计

时间：2024-07-06

梅昆，张光荣，张智

(深圳市安托山特种机械有限公司，广东深圳 518104)

0 引言

一般的永磁发电机，虽然实现了无刷化，且具有结构简单、体积小、重量轻、高功率密度和高效率等诸多优点;但由于其磁场难以调节，使其存在输出电压不可控、不可调、电压稳定性差、带无功负载能力差等缺陷。由此，永磁同步发电机电压的调节成为制约永磁发电机发展的一个瓶颈问题。

针对永磁发电机磁场无法调节的问题，近年来，许多发达国家，如美国、日本、英国、俄罗斯等，均投入了大量的人力、物力和财力进行理论和应用研究。他们提出了各种混合励磁方案，成为研究的热点。不同方案各具特点和优势，但也都存在不足。各国对混合励磁永磁发电机仍在继续进行进一步的深入研究。

深圳市安托山特种机械有限公司于2009年11月开始研制混合励磁式的双永磁工频无刷同步发电机新产品。双永磁工频无刷同步发电机是一种新型的稀土永磁工频无刷同步发电机。该产品属国内、外首创，已申报国家发明专利;正在申报美欧地区发明专利。

双永磁工频无刷同步发电机可克服原永磁工频无刷同步发电机电压不可调、不可控，电压稳定性差(±10% ～±5%)，带无功负载能力差(cos φ=0.9(滞后))等缺点;又可保留永磁工频无刷同步发电机效率高、体积小、重量轻的优点。

1 技术原理与技术路线

1.1 采用的技术原理

双永磁发电机采用电压串联补偿原理，将主永磁发电机和电励磁补偿发电机定子绕组串联组合在一起，下在一个公共的定子铁心中。主永磁发电机的永磁转子和电励磁补偿发电机的转子是相互独立的，分别提供励磁磁通。但是，永磁转子提供的是固定磁通;补偿发电机的转子提供的是变化的磁通，并根据电机电压的需要自动调节。

补偿转子磁通的自动调节，是通过旋转自动电压调节器(AVR)根据电压信号旋转传感器感知的电压高低来进行正、反向励磁调节。电压高于给定值时，永磁励磁机通过旋转AVR对补偿发电机转子进行反向励磁，使补偿发电机发出的电压与主永磁发电机发出的电压反向，串联迭加时，合成电压下降;反之，电压低于给定值时，为正向励磁，使补偿发电机发出的电压与主永磁发电机发出的电压同向，串联迭加时，使合成电压增加，从而达到恒定双永磁发电机电压的目的。

双永磁发电机的工作原理图如图1所示。

图1 双永磁发电机的工作原理图

1.2 技术路线

双永磁发电机采用三电机结构的混合励磁技术路线，并将AVR放到转子上变成旋转AVR，对双永磁发电机补偿线圈进行正、反向励磁调节，达到恒定双永磁发电机输出电压的目的。定子上的电压信号通过电压信号旋转传感器传递到旋转的转子上，使旋转AVR实现闭环调节。

旋转AVR与普通电励磁发电机的AVR是不一样的。普通AVR只能单方向控制励磁。旋转AVR通过H桥可以双方向控制励磁，实现励磁正反向调节。

双永磁发电机设计策略是将主永磁发电机的空载电压设计得高一些，通过反向励磁将电压整定在额定值;负载时，跌落的电压由减少反向励磁或增加正向励磁来补充，使其恢复到额定电压。该设计策略可使发电机设计得又小又轻，且可达到高效率。

2 设计方法简介

双永磁工频无刷同步发电机(以下简称双永磁发电机)的发明构想是根据串联补偿原理，借助机电一体化手段，提出了一种全新混合励磁永磁工频无刷同步发电机的设计新思路。

双永磁发电机是一种高度机电一体化的合成技术创新产品，它由三台发电机和一套励磁系统组成:一台永磁工频无刷同步发电机，一台同极数的电励磁补偿工频无刷同步发电机和一台永磁励磁机。

2.1 主永磁发电机设计

主永磁发电机是一种凸极发电机。首先要确定设计的额定参数:额定功率、额定电压、额定功率因数、相数、额定电流、额定频率、额定转速、冷却方式。

根据双永磁发电机设计策略，确定空载电压设计预定值，一般为115% ～120%UN。

采用唐任远院士著《现代永磁电机理论与设计》一书中的永磁同步发电机电磁计算程序进行电磁设计计算。

2.2 电励磁补偿发电机设计

根据主永磁发电机计算结果所得出的空载和负载所需要的电压补偿量，确定补偿电机设计的额定设计参数。

采用上海电器科学研究所(集团)有限公司编著的《中小型电机设计手册》中的凸极同步发电机电磁设计程序进行电磁设计计算。

2.3 永磁励磁机设计

根据补偿发电机电磁设计计算结果所获得负载时的励磁电压和励磁电流，以及永磁励磁机所需考虑的强励倍数，确定永磁励磁机的额定设计参数。

2.4 励磁系统设计

2.4.1 旋转AVR设计

根据补偿发电机电磁设计计算结果所获得负载时的励磁电压和励磁电流，进行具有正反向励磁调节功能的旋转AVR电路设计。

2.4.2 电压信号旋转传感器设计

根据旋转AVR所确定的信号电压值，进行电压信号旋转传感器设计。

3 设计依据/标准

目前国内还没有正式、公开的永磁工频无刷同步发电机的行业标准、企业标准，更没有混合励磁工频无刷同步发电机的行业标准、企业标准。

为了规范双永磁工频无刷同步发电机的设计、研制和生产工作，深圳市安托山特种机械有限公司特制定了Q/ATS 0101—2010《双永磁工频无刷三相同步发电机技术条件》，作为其设计、研制的依据。

Q/ATS 0101—2010《双永磁工频无刷三相同步发电机技术条件》制订的技术要求，力求使双永磁工频无刷同步发电机达到电励磁工频无刷同步发电机同等的性能和功能水平。

4 解决的关键技术问题及所采用的技术措施

4.1 永磁主发电机最优转子磁路结构方案的研究与技术攻关

双永磁工频无刷同步发电机中的永磁主发电机的转子永磁磁路结构设计是双永磁工频无刷同步发电机的关键设计技术之一，对这一关键技术进行了技术攻关工作。

设计了多达5～6个转子永磁磁路结构方案，进行了对比试验研究。这些方案主要有:不同磁瓦厚度的面贴式转子磁路方案、不同布置的混合式转子磁路方案、均匀气隙转子磁路方案、非均匀气隙转子磁路方案、不同定位安装结构方式的转子磁路方案等。从中优化选择了非均匀气隙、磁瓦厚度适中、有安装定位结构的面贴式转子磁路结构。该结构磁场波形好、电压波形畸变率小、固有电压变化小、磁瓦安装工艺好、工效高。

4.2 永磁励磁机最优方案的研究与技术攻关

永磁励磁机是双永磁工频无刷同步发电机的关键部件之一。它的设计好坏，将影响发电机的瞬态指标和励磁电流大小及提供励磁电流的能力。在永磁励磁机中进行了许多方案的设计比较和试验验证;最后选择了粘结钕铁硼稀土永磁材料方案和多极励磁机方案。它可减少励磁机的匝数，改善发电机的瞬态指标，其温度系数小，可确保高温下励磁电流的供给;多极励磁机方案可减少励磁电流值，改善补偿电机转子绕组的发热等。

4.3 双永磁发电机中复合定子的斜槽技术问题研究与技术攻关

众所周知，交流发电机中由于定子齿槽的影响，空载电压波形中会出现较大的齿谐波，会严重影响发电机电压波形的正弦性畸变率。现代发电机又提高了空载电压的波形正弦性畸变率指标，使齿谐波的影响更为突出。故常规发电机中需采用定子铁心斜一槽的方法来消灭齿谐波。但在双永磁发电机中，定子铁心是两个电机的组合铁心。在研究中发现，斜槽设计得不好，空载电压波形正弦性畸变率将会很差，达到13%以上。经过理论分析和试验研究，找到了消灭齿谐波的最佳斜槽参数值或消灭方法——斜1.05个槽或采用磁性槽楔的方法。样机实测空载线/相电压波形正弦性畸变率均约为2.6%。

4.4 旋转AVR电压调节器的研究与技术攻关

具有正、反向励磁调节功能的旋转AVR电压调节器是双永磁工频无刷同步发电机的核心部件，是双永磁工频无刷同步发电机成功的必要条件。旋转AVR电压调节器目前在国内外还未发现有此装置。它是一个重要创新发明点，但也是一个关键技术难点。经过3～4轮的研究试制，花费近一年多时间才最终技术攻关成功，完成了旋转AVR的制作。该旋转AVR性能优良，空载电压调幅范围达到±10%，稳态电压调整率指标达到±1%。旋转AVR还同时进行了旋转问题的可靠性设计。首先，对旋转AVR进行了小型化设计，采用了贴片电子元件;AVR进行了灌封胶封装设计;AVR的功率元件按最佳可靠性安装位置进行安装设计等。旋转AVR目前已累计进行了1 000 h的旋转可靠性试验，结果未发生任何故障，非常可靠。

4.5 电压信号旋转传递装置的关键技术的研究与技术攻关

电压信号旋转传递装置是双永磁工频无刷同步发电机又一核心部件。电压信号旋转传递装置目前在国内还未发现有此类装置，是一个重要创新发明点，也是一个关键技术难点。对此关键技术组织力量进行了多轮攻关，共设计了3～4个设计方案，主要有:纤维滑环信号传递方案、光电转换信号传递方案、霍尔元件信号传递方案、信号发电机传递方案、信号旋转传感器方案等。经过方案分析和试验验证，最终选择了信号旋转传感器方案，此方案信号传递准确，工作可靠性高。

5 技术性能指标试验结果

2011年7月28日，该公司委托国家中小型电机质量监督检验中心对送试的ATS.K-12 12 kVA双永磁发电机三台样机进行了全面鉴定试验。试验依据是GB/T1029—2005《三相同步电机试验方法》和Q/ATS 0101—2010《双永磁工频无刷三相同步发电机技术条件》及ATS.K-12-JG《12 kVA双永磁发电机鉴定试验大纲》。试验结果表明，全部性能指标及功能要求均满足Q/ATS 0101—2010《双永磁工频无刷三相同步发电机技术条件》的要求，有些指标达到国际同类产品的先进水平。例如，发电机的效率指标高达90%，发电机的瞬态电压指标远高于ISO8528标准中的G3级(最高级)水平，瞬态电压调整率达到+13.91%，－10.87% 的高水平，恢复时间达到0.298 s的高水平，如表1所示。

表1 12 kVA双永磁工频无刷同步发电机技术性能指标达标情况对照表

6 技术成熟程度及推广应用前景

6.1 技术成熟程度

双永磁发电机是一种创新的组合技术产品，其大部分技术都是成熟的。纯永磁发电机的设计与制造技术在我国已有20多年的历史，早已成熟;电励磁发电机的设计与制造技术更是一项早已普及了的成熟技术;双永磁发电机中的电子部件——AVR的制造在国内、外也是非常成熟的技术;双永磁发电机的创新组合结构也是传统结构，没有什么难点。故，双永磁发电机技术非常成熟，且便于制造。

6.2 推广应用前景

从理论上来讲，双永磁工频无刷三相同步发电机技术可以应用在所有的发电机中，包括单相、三相及工频、中频、直流等无刷发电机中;从功率范围看，可以推广到全部的中小型功率范围内。双永磁工频无刷三相同步发电机最具竞争力的市场是中、小功率的军用内燃发电机组市场和各行业的备用电站及要求高效率的通信行业电站市场和欧、美家用备用电站市场等。