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2.3 永磁同步发电机的设计特点

2.3.1 永磁材料和转子结构的选择

既然永磁同步发电机采用永磁材料来建立转子机械旋转磁场，因此永磁材料的合理选择在电机设计当中是非常关键的,一般衡量永磁材料的指标有：

（1）退磁曲线

永磁材料的磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线。退磁曲线上的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时，相对应的磁感应强度（磁通密度）值称为剩余磁感应强度，简称剩磁密度或剩磁。退磁曲线上与磁感应强度B为零时，所对应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力。磁场能量密度ωm=BH∕2，因此退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积可反映磁场能量密度，被称为磁能积。

（2）回复线

退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。实际上，在电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度会沿退磁曲线下降。如果下降到最低点时消去外加退磁磁场强度，则磁通密度并不沿退磁曲线回复。因此保证退磁曲线和回复线重合是非常重要的设计过程。

（3）内禀退磁曲线

内禀退磁曲线是描述内禀磁感应强度与磁场强度之间关系的曲线。 （4）稳定性

为了保证永磁发电机的电气性能不发生变化和长期可靠运行，需要保证永磁材料的热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。

永磁电机磁性材料的选择直接关系到电机中转子机械磁场以及定子感应电势、电流等相关参数的波形。从以上永磁材料的衡量指标可以清晰认识到在永磁电机的设计过程中，永磁材料的选择必须充分考虑到以上这几个永磁材料的性能指标，这也是永磁电机设计有别于电励磁电机设计最主要的设计特点。

2.3.2 固有电压调整率和降低措施

永磁同步发电机制成后，气隙磁场调节困难。为了使其能得到大量推广，需要对永

磁同步发电机的固有电压调整率有严格要求。发电机的固有电压调整率是指在负载变化而转速保持不变时所出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性。 从永磁同步发电机的电压平衡方程中可以得知，为了降低电压调整率必须在给定的空载电势E0的情况下尽量增大输出电压U。为此既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通，又要减小电枢电阻R1和漏抗X1。

a )为了降低电枢反应引起的去磁磁通，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力大，回复磁导率小的永磁材料；同时增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应影响。其次需减少电枢绕组每相串联匝数和增加转子漏磁导以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用，因此选用剩磁密度大的永磁材料；并且应增大永磁体提供每极磁通的横截面积，这时磁通明显增加，可以有效地减少每相串联匝数。

b）为了减小定子漏抗X1，需要选择宽而浅的定子槽型；减小电枢绕组每相串联匝数，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大长径比。

c）为了减少电枢电阻，需减小电枢绕组每相串联匝数和增大导体横截面积。

在上述措施中，都将导致耗用更多的永磁材料，所以在满足规定的性能指标的前提下，合理的选择参数，尽量减少永磁材料的用量。

第3章 设计方案

3.1转子设计

3.1.1永磁材料的选择

对于永磁材料的选择原则为：

1）永磁体应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标； 2）在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定； 3）有良好的经济性能及加工装配方便； 4）经济性好，价格便宜。

钕铁硼是现代工业和民用电机中得到了广泛的运用，其磁性高于稀土钴永磁，室温下其剩磁感应密度Br高达1.47T，磁感应矫顽力Hc可达992KA∕m,最大磁能积高达397.9KJ∕m3是目前磁性能最高的永磁材料。钕铁硼不足之处在于居里温度较低，一般为320-410摄氏度左右；温度系数较高，Br的温度系数可达-0.13%K-1，Hcj的温度系数达?(0.6~0.7)?k?1。

综合考虑电机性能及各方面要求，本设计采用钕铁硼永磁材料，其牌号为N35H，剩磁密度为1.22T矫顽力923KA∕m预计工作温度为80oC。

图 3.1退磁（Br∕Hc）曲线

3.1.2转子磁路结构

根据永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，转子磁路结构有切向式、径向式、

混合式和轴向式。本设计采用切向套环式结构，其结构示意图（如图2-2）磁通路径为：永磁体N极, 软铁极靴, 套环的磁性材料段, 气隙, 定子铁心, 气隙套环的磁性材料段, 软铁极靴, 永磁体S极。

切向式磁路结构永磁体的磁化方向为转子圆周的切线方向；永磁体并联作用，由两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可以提高气隙磁通密度，但是永磁体的磁化方向与磁通轴线接近垂直且离气隙较远。为减少永磁体向里侧漏磁，转轴衬套需由非磁性构成。

图 3.2 转子截面图

3.2定子设计

3.2.1定子铁心

电机对定子铁心的要求：导磁性能好、损耗低、刚度好、振动小，在结构布置上有

良好的通风冷却效果，叠压后铁心内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。为满足以上要求本设计的定子铁心采用0.35mm厚的冷轧无取向硅钢片冲制而成，其具体尺寸见（附录1）。

3.2.2定子绕组形式

在本设计中，为满足电机对定子绕组的各方面要求，采用双层短距分布式绕组，其具体结构如下：

总槽数Z=36； 极数2p=4； 相数m=3；

每极每相槽数q=Z∕2mp=3(整数槽绕组)；

相带为60度（电角度）；槽距角α=20度（电角度）； 并联支路数a=1； 线圈节距取y=8。

其绕组展开图具体详见（附录2）

表3.1 绕组分相

相带 第一对极 槽号 A1 C1 B1 A1 C1 B1 1,2,3 4,5,6 7,8,9 10,11,12 13,14,15 16,17,18 相带 第二对极 A2 C2 B2 A2 C2 B2 槽号 19,20,21 22,23,24, 25,26,27 28,29,30, 31,32,33, 34,35,36 上表中为每匝线圈的上层导体边，下层导体边按照短距绕组形式（节距y=8）放置于各槽的下层。