电驱动相比于常规的机械驱动，具有控制方便、响应速度快等优点，在国防、航空航天、应急救援、电驱动船舶、工程车以及野外作业等方面有着越来越广泛的应用。

以内燃机为动力的分布式电源，由于其机动灵活、性能稳定等优点，既可以作为主电源，也可以作为备用电源，还可以作为移动充电站，为各种电驱动系统提供可靠的电力。

目前，以内燃发动机为驱动的DG系统，其特点是提高DG系统的功率密度和综合效率，提高供电可靠性，提高DG系统的速度和稳定性。

在以直流主网络为基础的分布式电源供电系统中，由于有一个整流环节，它可以将三相交流电转换为恒定电压的直流电源，或者经过逆变环节后转换为交流电源，这样就可以解决永磁发电机不能实现稳压的问题。

因此，高转矩密度、高效率、高可靠性的永磁发电机被大量使用。对于永磁发电机的应用，当前的研究重点是整流方式和稳压方法。而对于整流器对发电机输出性能的影响，还没有进行过详细的分析。

在交流供电系统中，发电机组的运行特性、并联运行条件以及功率均衡措施等方面，已经进行了较为完善的研究。但是，与交流发电机整流型直流供电系统相关的研究，目前还处在初期的发展阶段。

国内外学者所进行的相关研究，在发电机组结构、应用领域及侧重点上存在很大的差异，并没有形成一个完善的体系。

永磁体的转速和电压调节装置及其工作机理

随着我国社会、经济的快速发展，以及各种能源的不平衡，使得我国面临着日益严重的能源短缺问题。这使得分布式能源对我国的发展具有越来越重要的意义。

在大型舰船、远程野外工程、军事需要、救灾应急、应急备用等众多场合，它被广泛地用作主要或后备电源。

然而，在传统发电机中，一般情况下，它需要保持原动机转速不变来实现稳频，并通过调节励磁或可控整流及PWM逆变等方法来实现稳压。这样才能满足三相交流负荷要求。

由于存在刷和滑环等因素，使其结构变得更加复杂。而且其中激磁能（约占3-5%）以热量形式被耗散到了转子处，严重影响了整个机组的运行效率。

由于转子处热辐射很弱，所以必须要有一个良好的冷却环境。这就增加了故障几率，并降低了运行效率。

随着电力电子技术的快速发展和对单机大容量电源的需求，带有整流负荷的发电机组被越来越多地研究和使用。这时就可以采用具有高效率、高功率密度等明显优势的永磁同步发电机。

但是，永磁发电机不能用励磁磁场来进行调节，其输出电压会随着负荷和温度的变化而变化。

这种不便，使得永磁发电机在DG中的使用和发展受到了一定的制约。为此，本课题组开展了永磁发电机调压速率及其影响因素的研究。

当使用带整流负荷的发电机时，由于有一个整流环节，所以不需要保持原动机转速不变来达到稳频。

为了最大限度地发挥永磁同步电机的优势，促进其在机组中的广泛使用，本课题组首次提出了永磁同步电机的转速调节方法。

在负荷发生改变的情况下，以整流后的直流电压为反馈，调节原动机的转速，使其保持在预定的输出电压。

本课题组采用的整流链路，可以根据具体需要，使用受控或非受控两种功率电子元件。这样就可以很容易地调节发电机的输出电压，使之符合负荷的要求。

然而，从内燃机等热动力源的负载特性图可以看出，在75-85%负载下，燃料利用率最高。反之，低负载或高负载时，燃料利用率偏低。

相比之下，常规的发电机组原动机转速是一个恒定值。所以在低负载时，燃料消耗量高，经济性差。要想达到交流50Hz的用电要求，原动机转速一般都是固定在r/min、r/min或r/min等标准值。

但是，在应用本课题组提出的技术时，可以利用较高转速的原动力源。这不仅对原动力源和发电机都有利于减小尺寸和重量，还能增强其移动性能。同时还具有结构简单、控制方便等优点。这可以推动其在航海、航空、野外作业以及紧急救援等领域的广泛应用。

本课题组在这次研究中，提出了一种新型的、以直流电压驱动的、可调节转速和输出电压的、由双闭环控制的、具有稳定特性和高效性能的永磁同步发电机驱动系统。

这种发电机组的工作原理是：在原动力源驱动下，永磁同步发电机输出三相交流电。三相交流电经过二极管整流模块后，输出直流电。直流电既可以直接为直流负载供电，也可以经过逆变器后为交流负载供电。

在负荷改变时，通过控制原动力源转速，使发电机输出直流电压保持在规定范围内，并由传感器检测直流电压，并将其作为反馈信号。

本课题组利用闭环反馈的方式，对原动力源燃油进行动态调节，使原动力源在负荷改变时，能够根据燃油供给情况，调整转速，达到无静差调节的目的。

通过试验测量和模拟仿真相结合的方式，验证了样品的外特性曲线具有很好的一致性，其偏差在1.5%以内，表明了仿真的精度，可以为电机的分析和设计提供参考。

测量了在保持发电机输出不变的情况下，原动力源转速与负荷变化率之间的关系，得到了与发电机自身调节速率类似的曲线。

带正交加载的永磁体的设计及仿真

与传统的以交流供电系统为基础的电励磁式同步发电机相比，整流负荷永磁同步发电机的额定参数的选择比较复杂。

它不仅与发电机组的额定输出电压和额定功率相关，还与所使用的原动力源的额定转速、整流器的结构类型相关。

在确定了原动力源的额定转速和整流装置的类型之后，再根据其额定转速、额定电压、额定功率，并对其负荷类型进行分类。

采用整流技术可以使永磁同步电机的工作频率不受限制。因此永磁同步电机的工作电压及其计算成为其设计中的一个重要问题。

本课题组在前期工作基础上，通过对永磁同步电机磁路结构、极弧系数、极弧形状、槽型尺寸等进行优化设计，有效抑制了永磁同步电机的波形失真和转矩波动。

本课题组在选择高转速永磁同步发电机时，由于其具有很大的优势，同时由于其高速度所引起的离心效应，对永磁同步发电机转子冲片体的强度也有很高的要求。因此有必要对永磁同步发电机转子冲片体的强度进行深入研究。

通过这种方式，既可以保证在更高速度下稳定地工作，又可以提高材料利用率。

提高电机转速可以提高电机功率密度，增加电机单体容量，提高机动性能。但是选择过高的转速不仅增加了电机开发难度，还会降低电机稳定性。同时也增加了电机加工和制造难度。

从上面的图表可以看出，当电机极对数增加时，可以使电机转矩密度增大，体积减小。同时还可以提高材料利用率。而且当极对数增加时，电机定子铜耗也会降低。

但是定子铁耗却呈现出不断增加的趋势。在极对数为3时，电机定子铜耗和定子铁耗之和最小。由于在不同极对数时，电机转速相同，所以假设风摩损失和杂散损失相同。那么在这个时候，电机额定运行效率最高。

在本文中，在以永磁同步发电机标称参数为限制时，选择3、4个极对数时，电机的工作特性和经济性都较好。而5个极对数时，电机总损失显著增加。

为此，本课题组选择了一种极对数为3的结构，对该结构进行了有限元仿真优化。仿真优化所用的该结构的性能指标如下表所示：

在此基础上，根据负荷特点和永磁同步电机的要求，对交直轴电抗进行了合理的设计。这是其设计中的一个重要问题。

永磁同步电机的转子结构是多种多样的。不同结构的转子永磁体的摆放方式存在差异，导致电机内部磁场分布规律存在差异。永磁同步电机的交直轴电抗也存在差异。

此外，在感应到磁动势时，电机内部磁场饱和度以及交轴电抗会发生变化，使得交轴电感在旋转状态下发生变化，而不是一个固定值。

正是由于这些特性，在过去，用解析法来确定交直轴电抗的方式已经很难精确地计算出永磁同步电机的交直轴电感。而随着有限元仿真软件的出现，以及其功能越来越完善，我们可以在电机制造之前，用有限元仿真得到更加精确的永磁同步电机交直轴电感参数。

我们的小组使用了有限元仿真软件，对永磁同步电机的交直轴电感进行了研究，并分析了各个电磁参数对其的影响。

从以上仿真计算可以看出，当电机高速运转时，其转子受到的离心力很大。要想增强其工作性能，就必须加大其隔磁桥的直径。而隔磁桥形状与尺寸之间的不匹配将导致其产生较大的漏磁。

在保证转子冲片强度的前提下，可以沿着宽度方向对永磁体进行分段，或者增加槽口倒角。这样可以减小漏磁系数，尤其是沿着宽度方向对永磁体进行分段效果更好。

我们的小组则是综合考虑了电磁性能、力学性能、材料成本和工艺成本，选择了最合适的冲片结构和尺寸。

带整流负荷的永磁同步发电机组的功率特性

与常规的电励磁式同步发电机相比，永磁同步发电机具有结构简单、效率高、体积小等优点，被日益广泛地用于各种场合。

由于近年来出现了大量的变频器负荷，使得永磁同步发电机必须与变频器负荷相连。而在常规情况下，永磁同步发电机整流端是非受控整流。

由于整流器组存在，使得整流器组交流端电压信号产生失真。这对机组正常工作造成很大影响。