通用汽油機是我國機電工業的一項重要產業，多個地區如重慶、廈門等都把通機作為本地區支柱產業。就以重慶為例：重慶通機（包括零部件）2006年1～6月實現出口額達到1.5億美元，其發動機占25％，發電機占到約24.3％。我國2006年小型發電機組的年產量約500萬臺，其中90％出口?？傮w來講，我國出口的發電機組還是低附加值的產品。提高我國發電機組的技術水平對提高”中國制造”的含金量、減少國際貿易摩擦有重大的意義。
1小型汽油發電機組的發展方向
小型汽油發電機有傳統的勵磁發電機和永磁發電機兩種形式。
目前發電機組基本上是勵磁發電機。生產勵磁發電機需要消耗大量的矽鋼片、銅線。近年銅的期貨價格連續上升，3年問漲幅超過三倍。加上市場競爭激烈，發電機組產品價格不升反降，原材料上漲已成為制約中國企業發展的瓶頸。國內企業特別是中小電機企業所面臨的困難越來越大，擺脫傳統產品，研發新的、節能的、體積小的、高附加值的發電機滿足市場需求勢在必行。稀土永磁發電機采用一般釹鐵硼永磁體勵磁，不需電勵磁繞組的電能消耗，提高效率10％～15％。沒有電勵磁發電機的勵磁線圈、碳刷和集電環之問的機械損耗，省去了勵磁電流產生的無功損耗及電刷壓降，減小了鐵損，增大了導磁率，使發電機的輸出功率又可提高約5％。稀土永磁發電機具有結構簡單、效率高的特點，它消耗的銅、矽鋼片都非常少。稀土永磁發電機的缺點是制成后難以調節磁場以控制其送出電壓。需要對稀土永磁發電機發出的交流電采用可控整流和變頻器來調節電壓。我國稀土資源占世界儲量的80％，永磁材料的研究和生產都處于較高水平，制造永磁發電機具有得天獨厚優勢。由于電子技術發展迅速，電力電子器件的價格不斷下降，變頻器的成本也越來越低。因此永磁發電機組將是小型發電機組的發展方向，終將會取代勵磁發電機組。
2永磁發電機設計
永磁發電機有兩種主要的結構形式。一種為內磁式，另一種為外磁式。內磁式永磁發電機轉軸上安裝磁極，磁體在線圈內旋轉。這種方式與傳統勵磁電機結構相近，比較好解決定子轉子的散熱，并且所使用的磁體小，節省材料。當轉子高速運行時，轉子受到的離心力作用，稀土永磁材料的抗拉強度非常低，因此需要在轉子磁鋼外套環。套環采用非導磁鋼制成，裝配時需要與轉子過盈配合，以保證即便是發電機工作后轉子的溫度會上升，套環所包容的轉子各個部件仍然處于壓縮狀態。如圖1所示為套環內磁式轉子結構示意圖。
圖1中，套環由導磁材料和非導磁材料交替間隔焊接而成，極靴處為導磁材料，磁鋼處為非導磁材料。這種轉子使用矩形磁鋼，磁鋼的加工很方便，磁鋼用量較少，但套環的加工裝配都比較困難。另一種結構為外磁式轉子，圖2為結構示意圖。圖2中，轉子外殼由鑄鋼或鑄鐵或鋼板拉伸制成，用環氧樹脂將稀土磁鋼粘在轉子殼體內周。在工作中，離心力將磁鋼壓緊在轉子殼體上，因此不用擔心磁鋼脫落或破碎。這種轉子使用瓦形磁鋼，稀土磁鋼在燒結后需要二次加工，磨制成瓦形。定子將安置在轉子內部，因此定子體積小，銅線、鋼片消耗都比較少。
外磁式發電機整體結構簡單、緊湊、可靠，但帶來的問題是定子散熱非常不方便。綜合考慮這兩種永磁電機的優缺點，選用外磁式作為實施方案。定子需要的銅線很少，運行時的銅損幾乎可以忽略。選用高絕緣等級的銅線，最高耐溫可達150~C。電機使用的是燒結釹、鐵、硼稀土磁鋼，使用溫度不能超過120~2。在轉子旋轉時，定子處于交變磁場中，轉子會受到一個因磁場旋轉而產生的阻轉矩，這個轉矩會使定子、轉子發熱。由于定子使用的是多片矽鋼片疊合而成，沖成后的每片矽鋼片表面再涂漆絕緣，因此電渦流的損耗很小。運行中主要是強磁力引起的發熱。磁鋼牌號越高，剩磁越強，最大磁能積越大，電機定子繞組越少，但磁力產生的阻轉距也越大，電機的效率不升反降，定、轉子發熱越大。因此磁鋼牌號需要恰當的選取。本設計中選取NTP一320燒結釹、鐵、硼稀土磁鋼。圖3所示為制造出的3kVA發電機定、轉子。這部分功耗是磁轉矩和電渦流引起的，將會使定轉子發熱。加裝風扇后測試發電機轉速3600r／arin時的輸入輸出功率如表2所示。測試使用的是純電阻型負載。傳統勵磁發電機能量轉換效率一般為75～80％，此永磁發電機效率遠高于傳統勵磁發電機。
3逆變器設計
此永磁發電機發出的是中頻三相交流電，隨負載增加，電壓會下降，3600r／rain轉速下，空載到滿載，每相均有近40V的壓降。需要使用逆變器將中頻三相交流電轉換為工頻（50／60Hz）電壓穩定的單相正弦交流電。圖4所示為逆變器結構原理框圖。圖5為全橋逆變及LC低通濾波電路原理圖。
持續20s后逆變器停止輸出，并報警系統過載。逆變器開關頻率越高，輸出波形越好。但功率管的負載能力隨頻率升高而降低，并且頻率越高，電流的集膚效應越大，電感線圈的發熱越嚴重，因此采用上述電流增大開關頻率降低的控制策略，這既能取得較好的波形效果又能得到可靠的大功率輸出。測試3kW阻性負載時逆變器輸出交流電波形，波形畸變率為3％，而傳統勵磁發電機在此條件下波形畸變率為11％。逆變器中的整流電路有1.1V壓降、功率管有1.4V壓降，每
次有兩個功率管導通，將有1.4V壓降，Lc低通濾波電路吸收高次諧波，這些都消耗能量，降低系統效率，使逆變器發熱，逆變器需要采取通風、散熱措施，還需要檢測溫度，高于IO0~C（功率管的最高工作溫度l10）時停止輸出，并報警。測試kW阻性負載時逆變器的效率達到95％，整機能量轉換效率達到86.6％。
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