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高性能永磁汽油发电机的研制

作者: 发布时间:2021-04-06 22:07:15点击:
  
 
  通用汽油机是我国机电工业的一项重要产业,多个地区如重庆、厦门等都把通机作为本地区支柱产业。就以重庆为例:重庆通机(包括零部件)2006年1~6月实现出口额达到1.5亿美元,其发动机占25%,发电机占到约24.3%。我国2006年小型发电机组的年产量约500万台,其中90%出口。总体来讲,我国出口的发电机组还是低附加值的产品。提高我国发电机组的技术水平对提高”中国制造”的含金量、减少国际贸易摩擦有重大的意义。
 
  1小型汽油发电机组的发展方向
 
  小型汽油发电机有传统的励磁发电机和永磁发电机两种形式。
 
  目前发电机组基本上是励磁发电机。生产励磁发电机需要消耗大量的矽钢片、铜线。近年铜的期货价格连续上升,3年问涨幅超过三倍。加上市场竞争激烈,发电机组产品价格不升反降,原材料上涨已成为制约中国企业发展的瓶颈。国内企业特别是中小电机企业所面临的困难越来越大,摆脱传统产品,研发新的、节能的、体积小的、高附加值的发电机满足市场需求势在必行。稀土永磁发电机采用一般钕铁硼永磁体励磁,不需电励磁绕组的电能消耗,提高效率10%~15%。没有电励磁发电机的励磁线圈、碳刷和集电环之问的机械损耗,省去了励磁电流产生的无功损耗及电刷压降,减小了铁损,增大了导磁率,使发电机的输出功率又可提高约5%。稀土永磁发电机具有结构简单、效率高的特点,它消耗的铜、矽钢片都非常少。稀土永磁发电机的缺点是制成后难以调节磁场以控制其送出电压。需要对稀土永磁发电机发出的交流电采用可控整流和变频器来调节电压。我国稀土资源占世界储量的80%,永磁材料的研究和生产都处于较高水平,制造永磁发电机具有得天独厚优势。由于电子技术发展迅速,电力电子器件的价格不断下降,变频器的成本也越来越低。因此永磁发电机组将是小型发电机组的发展方向,终将会取代励磁发电机组。
 
  2永磁发电机设计
 
  永磁发电机有两种主要的结构形式。一种为内磁式,另一种为外磁式。内磁式永磁发电机转轴上安装磁极,磁体在线圈内旋转。这种方式与传统励磁电机结构相近,比较好解决定子转子的散热,并且所使用的磁体小,节省材料。当转子高速运行时,转子受到的离心力作用,稀土永磁材料的抗拉强度非常低,因此需要在转子磁钢外套环。套环采用非导磁钢制成,装配时需要与转子过盈配合,以保证即便是发电机工作后转子的温度会上升,套环所包容的转子各个部件仍然处于压缩状态。如图1所示为套环内磁式转子结构示意图。
套环内磁式转子
 
  图1中,套环由导磁材料和非导磁材料交替间隔焊接而成,极靴处为导磁材料,磁钢处为非导磁材料。这种转子使用矩形磁钢,磁钢的加工很方便,磁钢用量较少,但套环的加工装配都比较困难。另一种结构为外磁式转子,图2为结构示意图。图2中,转子外壳由铸钢或铸铁或钢板拉伸制成,用环氧树脂将稀土磁钢粘在转子壳体内周。在工作中,离心力将磁钢压紧在转子壳体上,因此不用担心磁钢脱落或破碎。这种转子使用瓦形磁钢,稀土磁钢在烧结后需要二次加工,磨制成瓦形。定子将安置在转子内部,因此定子体积小,铜线、钢片消耗都比较少。
 
  外磁式发电机整体结构简单、紧凑、可靠,但带来的问题是定子散热非常不方便。综合考虑这两种永磁电机的优缺点,选用外磁式作为实施方案。定子需要的铜线很少,运行时的铜损几乎可以忽略。选用高绝缘等级的铜线,最高耐温可达150~C。电机使用的是烧结钕、铁、硼稀土磁钢,使用温度不能超过120~2。在转子旋转时,定子处于交变磁场中,转子会受到一个因磁场旋转而产生的阻转矩,这个转矩会使定子、转子发热。由于定子使用的是多片矽钢片叠合而成,冲成后的每片矽钢片表面再涂漆绝缘,因此电涡流的损耗很小。运行中主要是强磁力引起的发热。磁钢牌号越高,剩磁越强,最大磁能积越大,电机定子绕组越少,但磁力产生的阻转距也越大,电机的效率不升反降,定、转子发热越大。因此磁钢牌号需要恰当的选取。本设计中选取NTP一320烧结钕、铁、硼稀土磁钢。图3所示为制造出的3kVA发电机定、转子。这部分功耗是磁转矩和电涡流引起的,将会使定转子发热。加装风扇后测试发电机转速3600r/arin时的输入输出功率如表2所示。测试使用的是纯电阻型负载。传统励磁发电机能量转换效率一般为75~80%,此永磁发电机效率远高于传统励磁发电机。
外磁式转子
 
  3逆变器设计
 
  此永磁发电机发出的是中频三相交流电,随负载增加,电压会下降,3600r/rain转速下,空载到满载,每相均有近40V的压降。需要使用逆变器将中频三相交流电转换为工频(50/60Hz)电压稳定的单相正弦交流电。图4所示为逆变器结构原理框图。图5为全桥逆变及LC低通滤波电路原理图。
 
  持续20s后逆变器停止输出,并报警系统过载。逆变器开关频率越高,输出波形越好。但功率管的负载能力随频率升高而降低,并且频率越高,电流的集肤效应越大,电感线圈的发热越严重,因此采用上述电流增大开关频率降低的控制策略,这既能取得较好的波形效果又能得到可靠的大功率输出。测试3kW阻性负载时逆变器输出交流电波形,波形畸变率为3%,而传统励磁发电机在此条件下波形畸变率为11%。逆变器中的整流电路有1.1V压降、功率管有1.4V压降,每
 
  次有两个功率管导通,将有1.4V压降,Lc低通滤波电路吸收高次谐波,这些都消耗能量,降低系统效率,使逆变器发热,逆变器需要采取通风、散热措施,还需要检测温度,高于IO0~C(功率管的最高工作温度l10)时停止输出,并报警。测试kW阻性负载时逆变器的效率达到95%,整机能量转换效率达到86.6%。
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