引擎發電機整合工程

摘要：引擎與發電機的結合方式影響了傳遞功率、容許轉速、傳遞效率，發電機與引擎的距離也會影響發電機的環境溫度與可操作的電流密度，甚至影響了發電機的可靠度。本文挑選了皮帶傳動方式，遠離引擎高溫環境，增加了發電機的壽命與可靠度，並比較開迴路控制與閉迴路控制之差異。最後則對發電機進行1小時之穩定負載測試與1小時之變動負載測試，並記錄相關參數作為後續參考。
Abstract：The combination of the engine and the generator affects the transfer power, allowable speed, and transfer efficiency. The distance between the generator and the engine also affects the ambient temperature, the operable current density of the generator and even the reliability of the generator. In this article, the belt drive mode is selected, which is far away from the high temperature environment of the engine, which increases the service life and reliability of the generator, and compares the difference between open-loop control and closed-loop control. Finally, a one-hour stable load test and a one-hour variable load test on the generator were performed and the relevant parameters were recorded for subsequent reference.

關鍵詞：引擎、發電機、結合、皮帶傳動、負載測試
Keywords：Engine, Generator, Combination, Belt drive, Load test

前言
1992年聯合國在里約發表地球憲章以來，極端氣候對地球村的衝擊有增無減，氣候變遷危機已刻不容緩。2015年巴黎氣候協定，希望在2030年前減少50％碳排放以及2050年達到碳中和，目前全球135個國家及1049個城市已宣示2050年前達成淨零碳排目標。台灣無法置外於全球碳中和的浪潮，因此節能減碳是必然的趨勢，但受限於純電系統的安全性、續航力、成本、技術之考量，發電機與引擎結合產生電力方式為長行程時應用最合適之選擇。其利用引擎帶動發電機產生電力，再將電力供應給電機系統，使系統能長時間運作，而不受電池容量影響續航力，並兼具安全與適中之成本，為此系統之優勢。引擎與發電機的結合有許多方法，也各有其優缺點，本文列出四種引擎與發電機結合方式，並比較其差異性，最後再以實際應用需求選用皮帶傳動方式，並進行各1小時之穩定負載測試與變動負載測試，並記錄發電機之相關測試數據，供後續研究參考。
引擎與發電機結合方式
常見的動力傳輸方式有皮帶、齒輪、聯軸器、直結等方式(轉子與引擎軸結合、定子與引擎殼結合)，Lee＆Lim等人[1]為發電機使用皮帶方式與引擎近距離結合，最高環境溫度高達105°C，發電機線圈在發電過程中溫度會升到189°C，這有可能會導致發電機退磁和絕緣擊穿，因此需進行熱分析模擬；Hosad等人[2]提出數種ISG的結合類型；以及對ISG溫度進行研究[3][4]。根據參考文件[1]~[4]之資訊與常見的結合方式整理如表1所示。以傳遞功率來看，直結不受傳遞介質影響，有最大之傳遞功率、容許轉速、傳遞效率，而且因為轉子與引擎軸直結，定子與引擎外殼結合，轉子與定子震動不影響功率之傳遞，有最佳之抗震動能力、容許轉速與傳遞效率。但因為發電機太靠近引擎，使得發電機的環境溫度太高而降低了發電機可操作電流密度，使發電機可輸出功率降低，甚至影響了發電機的可靠度，隔熱問題亦是一大難題。以皮帶方式傳動可以避開剛性傳遞介質，受震能力優於聯軸器與齒輪傳動，並將發電機與引擎距離拉開，降低引擎溫度對發電機之影響，以提高發電機的壽命與可靠度，並提高輸出功率，但缺點為空間需求大，轉速與傳遞功率受皮帶限制。因此發電機與引擎結合的方式並沒有最佳方案，只有依使用條件與限制條件來決定，並選擇最合適之方案。

引擎與發電機採用皮帶結合之架構與控制方法比較
本文因沒有體積限制，引擎也是挑選市售品，考量發電機轉定子與引擎結合方式及隔熱方式都未於設計初期就通盤考量，設計上將遇到整合與可靠度等問題，因此挑選遠離引擎熱源之皮帶傳動方式進行研究，可避開前述之問題。本文採用市售納智捷1800 CC引擎搭配二顆自行設計的34 kW發電機以皮帶方式進行結合，如圖1所示，引擎出力軸安裝兩個皮帶輪，將動力分配到左右兩顆發電機，發電機規格如表2所示，額定功率34 kW時之效率為93.97 %，採自帶扇散熱，此時電流密度為6.45 A/mm2，因遠離引擎，以電流密度6.45 A/mm²搭配自帶扇即能符合長時間操作需求。

圖1 引擎與發電機結合架構