礦山自卸車用六相同步發電機空載特性的仿真分析

于 冰，黃鵬程，周黎民

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲412001)

0 引 言

礦山自卸車是大型礦山的高效運輸設備，主要分布在煤炭等行業。其中柴油發電系統作為自卸車電傳動系統的組成部分，為自卸車提供電能。而同步發電機是柴油發電系統的重要組成部分，采用六相雙Y移30°同步發電機可消除基本電流產生的5、7次等高次諧波磁勢和5、7次諧波產生的基波磁勢，可以減小附加損耗，降低定子繞組和鐵心的由于電磁引起的振動，并且可降低整流輸出電流的紋波系數，所以其得到了越來越廣泛的應用。發電機的空載特性體現電機的飽和程度，對電機設計的合理性有一定的指導意義，但傳統的基于集中參數的磁路設計方法，對于這種六相雙Y移30°繞組的同步發電機，由于經驗系數和修正曲線的缺乏，造成了計算值與實際值有一定的偏差。而基于有限元的設計方法，從電磁場的本質出發，具有一定設計精度。本文以某型號礦山自卸車用1 600 kVA六相雙Y繞組同步發電機為例，利用有限元法，對其空載特型進行電磁場仿真分析［1-3］。

1 仿真模型的建立

1.1 電磁場方程

本文利用時變運動電磁場有限元模型計算電機的電磁場。基于以下原理，瞬態電磁場偏微分方程:

式中:A為矢量磁位;u為磁導率;σ為電導率;V為運動媒介速度;JS為源電流密度。

加入邊界條件，可得到電機瞬態電磁場的定解方程:

式中:Ω為求解區域;S1為定子外徑邊界條件。

1.2 電機的主要參數

六相雙Y移30°繞組同步發電機額定點主要參數如表1所示。

表1 電機主要參數

六相雙Y移30°繞組同步發電機的幾何模型如圖1所示。

圖1 電機幾何模型

2 仿真過程及結果

利用有限元軟件建立電機的模型，采用四面體有限單元，得到的剖分圖如圖2所示。

圖2 電機剖分

六相繞組賦值零電流激勵，等效繞組開路，并參數化勵磁電流If，當繞組端部電壓為額定電壓時，此時的勵磁電流即為空載勵磁電流，相對應的工況即為空載工況，得到空載勵磁電流If0=176.57 A，電機的空載磁場分布如圖3所示，可見電機的磁場分布無異常。

圖3 空載磁場分布

電機的各相空載感應電動勢曲線如圖4所示，同組各相間相差120°電角度，不同組對應相相差30°電角度，可見繞組連接正確。

參數化勵磁電流If，并得到對應空載感應電動勢E0(線)，得到電機的空載特性曲線，如圖5所示。

3 試驗結果

根據上文的仿真結果，制造樣機，進行空載試驗，樣機及試驗裝置如圖6所示。

電機的空載特性的試驗值與基于有限元法的設計值和基于傳統磁路法的計算值的對比如圖7所示，可見基于有限元法的設計值與基于傳統磁路法的計算值相比，基于有限元法的設計值與試驗值有更好的吻合度，從而說明基于有限元法的仿真計算結果有更好的準確性，并且它對實際的樣機制造有一定指導與參考意義。

4 結 語

利用有限元法，對一臺礦山自卸車用1 600 KVA六相雙Y繞組同步發電機的空載特型進行電磁場仿真分析，并制造樣機，進行空載特性試驗。試驗結果表明，基于有限元法的電磁場仿真分析結果與基于傳統磁路法的計算值相比，基于有限元法的設計值與試驗值有更好的吻合度，可見本文的仿真方法與計算結果具有一定指導與參考意義。

［1］ 何友觀.中小型同步發電機勵磁系統的分析與設計［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［2］ 許實章.交流電機的繞組理論［M］.北京:機械工業出版社，1985.

［3］ Jatskevich J，Aboul-Seoud T.Impedance characterization of a six-phase synchronous generator-rectifier system using averagevalue model［J］.IEEE Electrical and Computer Engineering.2004，2-5(5):2231-2234.

［4］ 楊青，馬偉明，孫俊忠，等.3/3相雙繞組發電機系統的等效電路模型［J］.中國電機工程學報，2003(3):93-98.

［5］ 黃劭剛，夏永洪，張景明.基于ANSYS軟件的電機電磁場有限元分析［J］.微特電機，2004(5):12-14.