“嵌入式”发电机发动机一体化设计

潮流360

“嵌入式”发电机发动机一体化设计
　　　张文昌1刘海鹏2、、于功山1、王怀杰1
(1. 济南吉美乐电源技术有限公司2.总参信息化部住济南地区军事代表室)
摘要：介绍一种应用于变频发电系统中，发电机发动机一体化设计的发电模式，“嵌入式”发电机发动机一体机。该发电模式符合当前内燃机组的发展趋势，即“小型化、轻量化”。研制了整机，验证了性能。
关键词：嵌入式、发电机、发动机、一体化
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
1.引言
　　永磁式同步发电机由于体积小、效率高等优点在中小容量电源中获得了较广泛的应用。由于集中绕组永磁同步发电机采用了永磁励磁和集中绕组设计，相比普通发电机不仅体积大为减小，而且电枢绕组端部比较短，用铜量比普通分布绕组电机少。采用外转子结构，转子轭圈可以克服永磁体的离心力，省去常规内转子永磁电机所必须的转子加固措施,既降低了制造成本，又提高了电机的高速运行能力，而且其转子更容易与原动机械集成为一体。因此，该发电机特别适用于对体积和重量要求比较高的场合。
2.机组原理[1]
　　　以内燃机作为动力，由中频发电机将内燃机输出的机械能转化为初级三相或三相以上中频电能(本文以三相介绍)，再经过逆变器进行AC/DC/AC转换，输出工频交流电能（50Hz,230V）。方案框图如图1。
　　　
　　　　 机械能 　　　　   　    交流中频电能　    　　　        交流工频供电
　　　                              500Hz,400V            　      50Hz,230V输出　
图1方案框图
　　逆变器主逆变系统的设计采用高集成度数字化控制芯片智能集成功率模块（IPM）的电路方案，逆变器的基本工作原理如图2所示，发电机产生的三相交流电送入逆变器的L1、L2、L3三条线电压输入端，三相交流电压经三相整流桥（D1、D2、D3、D4、D5、D6）整流后，再经电容EC2滤波，变成平滑的直流电，然后，通过控制功率管Q1、Q2、Q3、Q4按照预定的频率和脉宽周期性的开关，在L1、L2前端就可获得频率固定、脉宽不等的PWM波，PWM波经电感、电容滤波后，就可获得标准的交流电压。
　　　图2逆变器的基本工作原理
　　逆变器控制回路的设计由数字智能模块和电流、电压检测电路、保护电路三部分组成。数字智能模块根据采集的电压反馈产生频率固定、脉宽不等的PWM波，实现对输出电压的实时调节，确保输出电压稳定，同时根据采集的电流信号，实现过流、短路保护，保证发电机组的输出电性能指标。
3.内燃机的功能
　　　内燃机是整个机组的动力来源，将燃油的化学能转化为旋转的机械能，为发电机提供原始动力。
4.嵌入式发电机
　　发电机为JML9000CL无刷中频同步永磁发电机，结构如图3。它结构简单、体积小、重量轻、成本低，具有使用可靠、性能稳定、电磁兼容性好、维护保养方便等特点。技术参数见表1：
表1
                    型   号
　　项   目       
JML9000CL
额定功率        8.5kW
额定电压        400V
额定转速        3000～3600r/min
绝缘等级        H级
防护等级        IP23
4.1永磁同步发电机径向式磁路转子结构
　　　径向式磁路转子结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，在一队极磁路中，有两个永磁体提供磁动势，永磁体工作于串联状态，每块永磁体的截面提供发电机每极气隙磁通，每块永磁体的磁势提供发电机一个极的磁势。与切向式转子结构相比，径向式磁路转子结构的漏磁系数较小。而且，在这种结构中，由于永磁体直接面对气隙，且永磁体具有磁场定向性，因此，这种结构中气隙磁感应强度Bδ接近于永磁体工作点的磁感应强度BM，提高了永磁体的利用率。经综合考虑该电机设计为径向式磁路结构，如图4，极数为20极。
　　　　　　     
           图3永磁发电机结构图        图4电机定转子正对（α=0°）时主磁通路径
4.2永磁同步发电机结构
　　嵌入式永磁双凸极发电机结构简单，功率密度大，体积小、重量轻、效率高、运行可靠，特别适合机组小型化的设计。转子为外转子型式，永磁体设计成瓦片型，粘贴固定在转子外壳的内表面上，转子轭圈可以克服永磁体的离心力，省去了常规内转子永磁电机所必需的转子加固措施，既降低了成本，又提高了电机的高速运行能力，而且其转子更容易与原动机械集成为一体。定子部分包括定子铁心和电枢绕组两部分。其中，定子铁芯由冷轧硅钢冲片叠加而成。电枢绕组按三相星形接法绕在定子铁芯上彼此相差120°电角度，分为9包，输出交流电能500Hz,400V，另设工作电源线圈1包，满足机组的对外充电、自检及控制。集中绕组结构相比普通发电机的分布绕组结构不仅体积大为减小，而且电枢绕组端部比较短，用铜量比普通电机少。因此，该发电机特别适用于对体积和重量要求比较高的场合。
4.3嵌入式一体化结构
　　嵌入式发电机的设计是本次小型化设计的一项主要工作。目前，传统发电机组的发动机、发电机是相对独立的。发动机曲轴有前后两端，位于发动机两侧；前端装有飞轮，外装启动拉盘；后端是输出驱动，通常用作与发电机连接；传统发电机组都采用发电机与曲轴后端连接；而嵌入式发电机既用来产生电能，又通过转动惯量计算使电机的转子转动惯量等于飞轮的转动惯量，从而用嵌入式发电机的转子取代发动机的飞轮，使其成为发动机的一部分，实现了“发电机嵌入式一体化结构”。这样既大大减小了机组轴向尺寸和机组重量，同时也从根本上实现了发电机组冷热区的分离，有利于机组散热问题的解决，又减少了机件个数，提高了系统的可靠性。
4.嵌入式一体机与小型化机组对比见表2
表2嵌入式一体机与小型化机组主要指标对比表
机组型号        　　小型化机组        　嵌入式一体机
体积（长×宽×高㎜）        670×475×560        600×475×560
重  　   量（㎏）        125        100
　　　额定功率(kW)        6.0        6.6
　　　最大功率(kW)        7.2        7.8
性
能
指
标        　频率稳态调整率(%)        0.001        0.001
        　频率波动率(%)        0.001        0.001
        　频率稳定时间(s)        0.001        0.001
        　频率瞬态调整率(%)        0.001        0.001
        　电压稳态调整率(%)        ±0.8        ±0.8
        　电压波动率(%)        ±0.1        ±0.1
        　电压稳定时间(s)        1        1
        　电压瞬态调整率(%)        ±3        ±3
柴
油
机        　型号        25LD330        改制25LD330
        　持续功率(kW)        8.6        8.6
        　重  量（㎏）        60        65（含发电机）
        体积（长×宽×高㎜）        420×455×455        450×455×455(含发电机)
        　缸    数        双        双
        　噪声dB（A）        97        97
发
电
机        　功  率(kW)        8.5        8.5
        　重  量（㎏）        19       
        体  积（长×宽×高㎜）        φ370×170       
　　
5.样机测试
　　测试样机如图5；
图5测试样机图片
　　发电机输出波形图如图6、图7；
图6发电机空载输出波形
图7发电机满载输出波形
　　逆变器输出波形如图8。
　　　　　　　　　　
图8逆变器输出波形
6结束语
　　机组经过试验验证明各项技术指标都达到了设计要求，方案设计合理，抗干扰能力强，能满足通信车辆恶劣电磁环境下运行的要求。
参考文献：
[1] 张文昌、于功山、王怀杰.“大功率逆变器”在小型化内燃机电站中的应用[J].移动电源与车辆，2010（1）：19-24.

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你这是什么意思？370的外径功率做到8.5KW，用的什么磁钢？是内转子还是外转子？

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外转子，钕铁硼SH38

ali_nakzo

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