迫札再柱制应用２０１２，３９（４） 产品介绍与应用ＥＭＣＡ 一种新型混合励磁永磁同步发电机的研究与设计 梅 昆， 张光荣， 张智 （深圳市安托山特种机械有限公司，广东深圳摘５１８１０４） 要：混合励磁永磁发电机是当前国际上的研究热点，提出的双永磁工频无刷同步发电机（以下简称 双永磁发电机）是一种全新方案的混合励磁永磁发电机。介绍了双永磁发电机的技术原理和实施的技术路 线，简要介绍了其设计方法及解决的关键问题。双永磁发电机经试验测试结果表明：双永磁发电机的方案可 行。 关键词：双永磁；混合励磁；工频；无刷；同步发电机 中图分类号：ＴＭ ３０２：ＴＭ ３４１ 文献标志码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２０１２）０４－００５７－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＭＥＩ Ｋｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｇｒｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ （Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ａｎｎ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８１０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｉｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ，ｐｕｔ ｆｏｒ－ ｗａｒｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ｈｅｒｅｉｎａｆｔｅｒ ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ａｓ ｄｏｕｂｌｅ ｐｅｒ— ｍａｆｌｅｆｌｔ ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）ｉｓ ａ ｎｅｗ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｉｎ— ｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗａｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｄｏｕｂｌｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ；ｈｙｂ￣ｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ０ 引 言 一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 种新型的稀土永磁工频无刷同步发电机。该产 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。 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％一－－Ｉ５％），带无功负载能力差 （ＣＯＳ ＝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。 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。 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 一５７— 产品介绍与应用ＥＭＣＡ 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 一５８一 吨弗乙与栏芾Ｊ应闭２０１２，３９（４） 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％Ｕ 。 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。 迫扎与楦弗Ｕ应用２０１２，３９（４） 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｝昆合励 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。 产品介绍与应用ＥＭＣＡ 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 一５９— 产品介绍与应用ＥＭＣＡ 电札与粒刮应用２０１２，３９（４） 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。 《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％，一１０．８７％的高水平，恢复时间达到 ０．２９８ ｓ的高水平，如表１所示。 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一１２ 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一１２一ＪＧ 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 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 舣水磁发ＩＵ机足一种创新的组合技术产品， ｊ 大部分技术郁址成熟的：纯永磁发电机的设计 墙ｌＪ造技术 我 ＬＬ有２０多年的历史，早已成 熟；ＩＵ啪磁发电ｆＪ【的没计与制造技术更是一项早 ／支Ｊ 的成熟技术；双永磁发电机中的电子部 —．—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、 （下转第６４页） ６０．．—— 产品介绍与应用ＥＭＣＡ 迫希乙与柱１｛；．Ｊ应闭２０１２，３９（４） 卸软起动器查看，发现编程继电器为焊接在电路 板上且该继电器为封装的，而手头２４ Ｖ继电器较 多，故将软起动器内部２４ Ｖ及继电器接线端子外 命，适应生产的连续、快节奏需求。 ４ 结 语 经过两年多的应用实践的证明，ＭＣＤ３０００系 列软起动器在２ ｆｆｌ、１．５ ｍ固定式金属热锯上的应 引，在旁边控制盘上安装了几个２４ Ｖ ＤＣ的继电 器备用，用来控制旁路接触器的吸合，使软起动 器、旁路接触器得以正常运行。 ３．２改进措施 用非常成功，特别是用ＭＣＤ３０００软起动器对原 １．５ ｍ金属热锯起动、运行控制线路的改造。据 这两年的统计数据显示，每年为公司节约电机修 理费约６４万元。随着国内外电力电子技术的不 断更新和自动化控制理论的不断发展，将会有性 由于原来ＪＳ一１２６４ ２２５ｋＷ ４０８ Ａ的锯片电机 为落后的Ｊ系列笼型转子三相异步电机，防护等 级低，而Ｙ３５５Ｍ３４ ３１５ ｋＷ ５７８．２ Ａ的锯片电机 为Ｙ系列ＩＰ２３或ＩＰ４４，绝缘等级为Ｂ级。为降 低电机运行的振动，减小噪声，提高电机的外壳防 护等级、绝缘等级以抵抗恶劣的工作环境，应逐步 能更为优良、工作更为稳定、寿命更长的软起动器 应用于设备的改造，在提高设备自动化控制水平 的同时也为公司带来更多的经济效益。 淘汰高耗能、低效率、防护等级和绝缘等级低的落 后系列的电机，建议选用噪声低、振动小、绝缘等 级为Ｆ级、外壳防护等级为ＩＰ５４或ＩＰ５５的ＹＬＶ 【参考文献】 ［１］金续曾．电机修理常用技术数据［Ｍ］．北京：机械 业出版社，１９９７． 系列的低压大功率三相异步电机，并且加强１．５ ｍ金属热锯现场线路的改造、防护以及锯轴传动 系统的维护、维修，逐步为锯片电机创造良好的运 行环境，以确保电机正常运行，延长电机的使用寿 ［２］ 王建．维修电工（技师、高级技师）国家职业资格证 书取证问答［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６． 收稿日期：２０１１—１１—１６ （上接第６０页） 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 【参考文献】 ［１］唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：北 京机械工业出版社，１９９７． ［２］黄守道，肖红霞，任光法，等．双电压复合励磁稀土 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。 永磁同步发电机设计研究［Ｊ］．微特电机，２００４（９）： １８－２０． ７ 结 语 双永磁工频无刷同步发电机样机经国家中小 ［３］ 肖慧慧，黄守道，葛照强．复合励磁稀土永磁同步发 电机辅助电励磁部分的设计与研究［Ｊ］．电机与控 制应用，２００６（９）：１２—１４． 型电机质量监督检测中心（上海）进行了全面的 鉴定试验，测试结果表明：双永磁发电机的方案可 行，性能指标先进，技术成熟。 ［４］ 上海电器科学研究所．中小型电机设计手册［Ｍ］． 北京：北京机械工业出版社，１９９５． 收稿日期：２０１１—１０—１１ ．．——６４－－——