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设计分析 2012 年第 40 卷第 7 期 esign and analysis 仿真 计 算和 实际实 验 的结 果 几乎 一 致。 有限元分析等方法， 通 过 仿真得到 电磁 参 数 满足 设 降的因素， 实验表明该设计方法有极高的准确性。 计要求的永磁 发 电机。 通 过样 机的 制 作 和 实 验， 仿 表 1 仿真和实验数据对照表 真结果和实际实验值保持一致。因而利用该方法设 测试项 磁路法 有限元法 样机实验值 计电机有极大地准确性。而设计的发电机由于体积 393 387 392 空载 线电压 / V 功率密 度 大的 优 点， 有 着 很 好 的 研究和应 用 前 小， 阻性负载 384 381 378 线电压 / V ( 星形 25 Ω) 景。 8． 6 8． 4 8． 1 线电流 / A 参考文献 实际应用时， 三相电输出并不直接带负载， 而是 ［ 1］ 俞杨威． 基于 DSP 的移动式发电机逆变 电 源 研制［D］ ． 浙江 大 将三 相 交 流 转 换 为 220 V 工 频 通过控制器的处 理， 2007． 学， 交流电。图 6 为发电机接控制器后输出的电压电 流 ［ 2］ 焦营营， ． 机电 姚福安． 便携式汽油发电机逆变电 源 的 研制［J］ 。 ， ， 波形 带负载后 输出电压的正弦性仍旧保持很好 2006 ( 2 ) : 26 － 29． 一体化， THD 保持在 5% 以 内。 可 知 该 系 统 可 顺 利 带 载， 发 ［ 3］ 李保来， ． 防爆 兰建军． 带整流负载的同步发电机 设 计特点［J］ 。 电机 符 合设 计 要求 2005 ( 4 ) : 4 － 8． 电机， ［ 4］ 张岳． Ansoft 在直驱式永磁风力发电机设计中的应用［ J］ ． 微特 2008 ( 11 ) : 23 － 24． 电机， ． 北京: 机 械 工 业 出 版 ［ 5］ 唐任远． 现 永磁电机理 论 与设 计［M］ ， 1997． 社 ［ 6］ 朱少 林， 王 群 京． 基 于 Ansoft 的永磁 同步发 电机建 模 与 仿真 ［ J］ ． 2008 ( 4 ) : 1 － 4． 图 6 输出工频电压电流波形 作者简介: 杨百鑫 ( 1985 － ) ， 男， 硕 士 研究 生， 主 要 研究 方向为 4 结 语 永磁电机设计。 Ansoft ， ， 本 文 通 过 相关 软件 的 使 用 利 用磁路法 离网型小功率直驱永磁同步风力发电机的进一步深 ( 上接第 25 页) 于实际风速约 为 3 m / s 时， 2 kVA 永磁 同步发 电机 入研究及推广应用奠定了理论和技术基础。 通 过 控 制 器， 此时 参考文献 输出交流电压有效值为 17． 32 V， 发电机输出电压可以对蓄电池进行充电。 ［ 1］ Grabic S， Celanovic N， Katic V A． Permanent Magnet Synchronous ， 2 kVA 永磁 同步发 电机 样 机 安 装 到 直驱 同时 Generator Cascade for Wind Turbine Application［ J］ ． IEEE Trans actions on Power Electronics ， 2008 ， 23 : 1136 － 1142． 风力发电机系统中， 已通过风场实际测试开始投产。 ［ 2］ Rucker J E， Kirtley Jr J L，McCoy T J． Design and analysis of a ， 3m / s 的 风场测试 结 果表明 整 个风力发 电 系 统 在 permanent magnet generator for naval applications［ J］ ． IEEE Elec 低风速下， 能 快 速起 动， 控制器输出直流电压达到 tric Ship Technologies Symposium， 2005 : 451 － 458． 40． 5 V， 输 出 功率 达 到 32． 4 W， 风力发 电机 开始 对 ［ 3］ 李伟力， 仝世伟， 程 鹏． 离 网 型永磁 同步发 电机电磁 场和 温 度 用 蓄电池 进 行 充 电， 从 而 证 明 所 设 计的 2 kVA 永磁 同 J］ ． 中国电机工程学报， 2010 ( 30 ) : 109 － 场数值计算与分析［ 于 115． 步发 电机 起 动阻 转 矩小， 能 保 证 风力发 电 系 统 在 3 ［ 4］ 郭冰． 直驱永磁同步风力发 电机 发 展 及 其 设 计方法 综 述［J］． m / s 的低风速下快速切入工作。 2007 ( 1 ) : 56 － 59． 微特电机， 便 携 5 ［ 5］ Guo Zhenhong， Chang Liuchen． FEM study on permanent magnet 结 语 式 synchronous generators for small wind turbines［C］/ / Proceedings 发 电 针对小功率直驱永磁同步风力发电机的设计特 of CCECE． 2005 : 641 － 644． 系 ［ 6］ Cistelecan M V， Popescu M． Study of the Number of Slots / Pole 作者 研制 了一 台 2 kVA 城 市 路 灯 用 离 网 型 直驱 统 点， 的 Combinations for Low Speed Permanent Magnet Synchronous Gen。 永 永磁同步风力发电机 本文用有限元法对该样机进 erators［ C］/ / IEEE International Conference on Electric Machines 磁 行了较为全面的分析， 并且， 通 过 实 验 室 对 拖 实 验， 同 ＆ Drives． 2007 ， 2 : 1616 － 1620． 步 测得 2 kVA 永磁 同步发 电机效 率高， 固 有电 压 调 整 ［ 7］ 张兆 强． 永磁 同步风力发 电机的有限 元 分析［J］ ． 大电机技 发 整个风力发电机系统 2007 ( 5 ) : 22 － 25． 术， 电 率小; 在实际风场运行测试中， 机 在 3 m / s 的 低 风速 下 就 能 快 速 切 入 工 作， 证明了所 设 计 设计的 2 kVA 永磁 同步发 电机 起 动阻 转 矩小， 作者简介: 符荣( 1977 － ) ， 女， 讲师， 博士研究生， 主要研究方向 达到 。 为 稀土 永磁电机 设 计及 其 控 制 。 了小功率直驱风力发电机的设计特点要求 本文对 32
设计分析 2012 年第 40 卷第 7 期 esign and analysis 杨百鑫 ( ， 绍 兴 电 力 局 浙江绍兴 312000 ) 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， 设计并制作一台用于 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 中图分类号: TM31 文献标识码: A 文章编号: 1004 － 7018 ( 2012 ) 07 － 0030 － 03 The Design of Permanent Magnet Synchronous Generator for 5 kW Portable Power Generation System YANG Bai － xin ( Shaoxing Electric Power Bureau， Shaoxing 312000 ， China) Abstract: According to the design requirements of the generator， the structure and working principle of the motor was described． Basing on magnetic circuit analysis and finite element analysis， through field － circuit approach， a permanent magnet generator for 5 kW portable power system was designed． Experiment shows that this method has a good relevance and accuracy． Because of its small size，light weight，high power density， the permanent magnet generator has a high prospect． Key words: Ansoft; permanent magnet synchronous generator; finite element; field － circuit coupled 为 400 ～ 600 Hz， 对 输 出电 压 正弦 性 以及电 压 调 整 0 引 言 率等条件要求 并 不 严 格。 同时， 发 电机 也 需 提 供 一 传统 的 小 型 发 电机一 般 是 工 频 发 电机， 体积 大 要求 输 出 单 相 个辅助电源作为控 制 器 的工 作 电 源， 移动携带也很不方便， 且输出电压受原动机 交流电， 有效值达到 12 V， 设计输出功率 100 W。 而笨重， 转速和负载的影响 较大， 考虑上述发电 系 统 的 要求， 本 文 结 合 Ansoft 相 谐 波 重、 电 压 畸 变 率高， 难 ［1 ］ 关软件的 应 用， 利 用磁路法 ( RMxprt ) 的 快 速 计 算， 以达到较高的技术指标 。 确定发电机定转子的大体结构和尺寸、 绕组型式， 然 便携式发电系统主要由汽 ( 柴 ) 油 机、 同步发 电 ［2 ］ ， 后进行有限元 电磁 场 ( Maxwell 2D ) 计 算， 修正 电机 该 系 统 大大 减小 了 传统 工 频 发 机和控制器构成 电机的弊端， 的设计参数。最后制 作 样 机 进 行 相关 实 验， 通过实 体积和重量更小， 易于携带。同步发电 。 ， 验验证该设计的准确性 机采用中频永磁发 电机 这 样 省 去 了 励 磁 绕组 和 容 用 易出问题的集电环和电刷， ， 。 结构简单 体积小 永磁 于 1 永磁发电机的基本结构 ， 同步发 电机 输 出 三 相 交 流 中频 电 需要 后 续 控 制系 1 ． 1 电机设计的基本方式 统通过交 － 直 － 交方案将其变为 220 V 单相工频交 便 传统的交流同步发电机设计主要针对线性的对 结构如图 1 所示。 携 流电， 式 称 交 流 负 载， 而该系统中电机所带负载为非线性的， 本文所考虑的便携 发 电 电机运行处于不对称运行状态。传统的某些电机设 式发电系统中， 原 动 机转 系 ［3 ］ 计方法、 计算公式 已 不 再 适 用 于 这 些 工 况 。 因而 认为其 统 速 为 3 600 r / min ， 的 。 设 计 时需 将 针对性的根据该系 统 的 实际 运行 状 况， 永 基本 保 持 不 变 永 磁 发 图 1 便携式发电系统结构 磁 电机 设 计 输 出 功 率 为 6 发电机及控制器作为一个系统考虑。在充分考虑上 同 kW， 述设计要求和设计方法的基础上， 结 合 Ansoft RMx步 主电路要求 输 出 三 相 电， 额定负载时线电压达 发 prt 软件的使用， 来确定电机的结构。 电 到 300 V 或更高( 后 续 电 力 电子 变 换 器 要求 直 流 母 机 Ansoft RMxprt 是一个运算快速有效的电机磁路 390V， 因而线电压不小于 300 V， 整流部 设 线 电压达到 计 分采用半控桥， 。 RMxprt 计算软件 通过 可 以 快 速 从 多 种 设 计方 案 因而 电 压 略 高 于 300 V 也可 ) ， 频率 ， 找 出 符 合 要求 的电机结构 和 初 始 尺寸。 在 RM 中 30 xprt 的用户界面中输入电机的 相关参 数， 如 定 子、 转