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永磁同步发电机的设计及磁

场项目设计方案

1.1永磁材料发展概况

19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然铁矿石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85KJ∕m3）和50年代出现的铁氧体永磁材料（最大磁能积现可达40 KJ∕m3），磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机也纷纷使用永磁体来励磁。这段时期在永磁电机设计理论、计算方法、充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。

但是铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36~160KA∕m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2~0.44T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到上世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性的退磁曲线等优异性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。

稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。1967年美国K??J?Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可以表示成RCO5（其中R代表钐、镨等稀土元素），产品最大的磁能积现已超过199KJ∕m3（25MG?Oe）。1973年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2CO7.产品的最大磁能积现已达258.6KJ∕m3（32MG?Oe）。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）

3永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431.3KJ∕m（54.2MG?Oe），商品生产现已达397.9

KJ∕m3（50MG?Oe），称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资-钴，因而引起了国内外磁学界的和电机界的极大关注，纷纷投入大量的人力物力进行研究开发。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有更大的突破。

1.2 永磁同步发电机显著优点

永磁同步发电机的结构与电励磁同步发电机的结构大体相似，其主要结构分别由定

子、转子和机座组成。永磁电机的定子由定子铁心和定子三相对称绕组构成，其有别与电励磁同步发电机的结构是转子，转子主要由转轴、永磁体及相关支撑部件组成。由于其采用永磁材料，固其具有以下优点： 1 体积小，重量轻

转子部分采用高磁场的永磁体代替电磁线圈，转子体积要小得多，因此该发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。 2 效率高，节能效果显著

由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁损耗，因此三相永磁同步发电机比常规发电机明显节约能量；其效率能提高10-15%，是一种典型节能产品。 3 电压波形质量好，适用于各种负载情况

由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载（包括感性和容性负载）情况下都可以使电压波形畸变率保持在较小的范围。 4 过载能力强，适合于在各种恶劣环境下工作 5 无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长

无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁体和铁心固成一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。

1.3 永磁同步发电机的发展方向和前景

永磁同步发电机有别于传统电励磁同步发电机，其最主要的区别在于转子采用永磁材料来产生磁场；其次永磁同步发电机与不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150kVA 14极12000 r/min~21000r/min和100kVA6000 r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3KW 20000r/min的永磁发电机。永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机，80年代我国研制成功当时世界容量最大的40 kVA~160KVA稀土永磁副励磁机，配备200MW~600MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。

从永磁电机的已有发展可以看出其发展是随着永磁材料性能的不断改进而发展起来。目前，独立电源用的内燃机驱动发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的永磁风力发电机正在逐步推广。随着现代的电力电子技术的不断成熟和机电一体化设备的广泛运用，永磁同步发电机的转子磁场不可调节性以及其他相关不理想因素也将不断改善，其将会随着永磁材料和电力电子技术等相关技术的发展向着大功率化、微型化、多样化、

高性能化等方向发展。

第2章 永磁同步发电机结构和原理

2.1永磁同步发电机结构

2.1.1 转子结构

由于其转子磁场由永磁材料产生，转子结构多样化。永磁发电机的磁路形式多样，有许多不同的分类方法。

1） 按永磁体所在位置分类，可分为旋转磁极式和旋转电枢式。旋转磁极式结构，其永磁体在转子上，电枢是静止的，永磁同步电动机，无刷直流电动机都采用该种结构。旋转电枢式磁路结构，其永磁体在定子上，电枢旋转，永磁直流电机采用该种磁路结构。 2） 按所用材料分类，可分为单一式结构和混合式结构。在一台电机中，只采用一种永磁材料，称为单一式结构，绝大多数电机都采用该种结构。混合式结构通常采用两种性能特点不同的永磁体（将矫顽力低的永磁体置于磁极的前部，将矫顽力高的永磁体置于磁极后部），扬长避短，充分发挥永磁材料的优势，提高电机的性能，降低制造成本。 3） 按永磁体的安置方式分类，可分为表面式和内置式。表面式磁极的永磁体直接面对空气隙，具有加工和安装方便的优点，但永磁体直接承受点电枢反应的去磁作用;内置式磁极的永磁体置于铁心内部，加工和安装工艺复杂，漏磁大，但可以放置较多的永磁体来提高气隙磁密，减小电机的重量和体积。

4） 按永磁体的形状分类，进行永磁体设计时必须保证永磁体在磁路中产生足够的磁通和磁动势，可分为瓦片形、极弧形、环形、爪极形、星形、矩形磁极。

5） 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，可分为切向式、径向式、混合式和轴向式。

2.1.2 定子结构

定子铁心是构成永磁电机磁通回路和固定定子线圈的重要部件，它由冲片和三相对

称绕组以及各紧固件压紧成一个整体。 定子铁心的基本要求： 1）导磁性能好，损耗低； 2）刚度好，振动小；

3）结构布置上有良好的通风冷却效果；

4）叠压后铁心内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。 定子绕组的基本要求：

1） 在一定的导体数下，有合理的最大的基波电动势和基波磁动势；

2） 在三相绕组中，三相基波电动势和三相基波磁动势必须对称，即大小相等，相位上互差120度电角度，并且三相的阻抗也要求相等；

3） 相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，为此要求它们的谐波分量尽可能小；此外还要求用铜少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好，制造工艺简单，检修方便。 定子交流绕组主要有以下几种分类形式： 1） 按相数分为单相，两相和三相绕组；

2） 按槽内层数分为单层、双层绕组，其中单层有等元件、交叉式和同心绕组，双层绕组有波绕组和叠绕组，它们一般采用短距分布绕组形式； 3） 按每极每相槽数分为整数槽绕组和分数槽绕组。

2.2永磁同步发电机原理及特性

2.2.1 工作原理

永磁同步发电机主要电磁结构为定子和转子，定∕转子之间有气隙。定子上有

AX,BY,CZ三相对称绕组，相绕组由多匝串联的绕组元件连接而成，每相绕组匝数相等，在空间上相差120度电角度。转子上有永磁材料产生机械磁场，其磁通由转子N极出来，经过气隙，定子铁心，气隙进入S极而构成回路。

在原动机拖动发电机转子以恒定转速n（同步转速）旋转时，磁极的磁力线将切割定子绕组导体，在定子导体中感应出交变电势，当定子三相绕组外接三相对称负载时，便会在三相绕组中感生出三相对称电流，从而实现将机械能转化为电能。

当转子为一对极时，转子旋转一周，相绕组中的感应电势正好交变一次（称为交变了一个周波），实际电机有P对极。永磁同步电机和电励磁同步电机一样，电机转速和定子电流的频率严格遵守n=60f∕P的关系。

2.2.2 运行特性

永磁同步发电机的运行性能的主要三个重要性能指标：固有电压调整率、短路电流倍数、电压波形正弦性畸变率。 1） 固有电压调整率

永磁发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E（；0V）在负载运行时，气隙合称基波磁通在电枢绕组中产生气隙合成电动势Eδ（V），计算公式

为：

E0

?4.44fNkdp??0k? （2-1）

（2-2）

E??4.44fNkdp???k?空载气隙磁通和气隙合成磁通需要根据所选用的永磁材料性能，转子磁路结构形式和具体尺寸，运用电磁场数值解法求出或用等效磁路法求出。对于切向、径向、混合式结构，可以将永磁材料等效地化为两个恒磁通源并联供应同一条外磁路的等效磁路。 2） 短路电流倍数

永磁同步发电机的短路状态分为稳态短路和瞬态（冲击）短路两种。瞬态短路电流通常大于稳态短路电流，但计算比较复杂，工程中通常先求出稳态短路电流，然后利用经验修正系数得出瞬态短路电流倍数。

短路电流对永磁体去磁作用的大小，除与短路电流倍数有关外，还取决于转子磁路结构形式和空载漏磁系数的大小。对于软铁极靴，极间浇铸非磁性材料，转子上安装阻尼笼等有阻尼系统的磁路结构，瞬态短路电流对永磁体的去磁作用大大减弱，并接近于稳态。短路电流的作用，对于无极靴的转子磁路结构，由于永磁体的电阻率很大，几乎没有阻尼作用，固瞬态短路电流的去磁作用很大。为了避免永磁体在发电机短路过程中发生不可逆的退磁，在设计过程中进行最大去磁工作点的校核计算，应保证此工作点在最高工作温度时回复线的线性段应高于或者等于回复线的拐点。 3）电压波形正弦性畸变率

在永磁同步发电机负载运行中，负载对发电机所发出的电动势波形有严格的要求，实际电动势（通常指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率来表示。在国家标准规定中，电压波形正弦性畸变率是指电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根值与该波形基波有效值的百分比。

为了减小电压波形正弦畸变率，除采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组、斜槽等措施外、还应改善气隙磁场波形，它不但与气隙形状和极弧系数有关外，还与有无软铁极靴和稳磁处理的方法有关。

微型和小功率永磁同步发电机如对电压波形要求不高时，通常采用均匀气隙。空载气隙磁场可近似看成宽度为?i?，幅值为B?的矩形波。当发电机容量较大或对电压波形要求严格时，需对极靴形状进行加工，使气隙不均匀并选用合适的极弧系数，从而使气隙磁场分布波形尽可能接近正弦。