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新闻主题	永磁发电机工作原理和结构图

 

摘要：永磁发电机（Permanent Magnet Generator 简称PGM）具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在康明斯发电机组产品上具有很高的应用价值。永磁同步发电机得到较快发展，特别是在柴油发电机组中开始逐步取代最常用的交流无刷发电机，由于永磁同步发电机的性能优越，目前来看是一种很有前途的节能电机。康明斯公司在本文重点介绍了永磁发电机工作原理、结构特点、特性曲线和数学建模等相关知识以及计算方程式。

 

一、永磁同步发电机结构

 

      永磁同步发电机分为正弦波驱动电流的永磁同步发电机和方波驱动电流的永磁同步发电机。这里介绍的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步发电机。永磁发电机的主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。其定子结构与普通的交流发电机的结构非常相似，转子结构与交流发电机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体的位置的不同，永磁发电机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。

1、表面式转子结构

      图1中已经标出了两种表面式转子的d轴线与q轴线的位置，d轴线与发电机的转子磁极所在的轴线重合，q轴线超前d轴90电角度，即相邻两个磁极的集合中性轴线。由于在不同转子中的磁极对数不一样，所以q轴与d轴之间的机械角度差时不同的，但是电角度的差都是90度。

      对于这种表面式的转子结构，永磁体贴在转子圆形铁芯外侧，由于永磁体材料磁导率与气隙磁导率接近，即相对磁导率接近1,其有效气隙长度是气隙和径向永磁体厚度总和；交直轴磁路基本对称，发电机的凸极率p=Lq/Ld≈1,所以表面式PMSM是典型的隐极发电机，无凸极效应和磁阻转矩；该类发电机交、直轴磁路的等效气隙都很大，所以电枢反应比较小，弱磁能力较差，其恒功率弱磁运行范围通常较小。由于永磁体直接暴露在气隙磁场中，因而容易退磁，弱磁能力受到限制。由于制造工艺简单、成本低，应用较广泛，尤其适宜于方波式永磁发电机。

2、内置式转子结构

      顾名思义永磁体埋于转子铁芯内部，其表面与气隙之间有铁磁物质的极靴保护，永磁体受到极靴的保护。其结构如图2所示。对于内置式PMSM其q轴的电感大于d轴的电感，有利于弱磁升速，由于永磁体埋于转子铁芯内部，转子结构更加牢固，易于提高发电机高速旋转的安全性。内置式PMSM转子磁路结构包括径向式、切向式和混合式。

（1）径向式转子磁路

      永磁体置于转子的内部，适用于高速运行场合；有效气隙较小，d轴和q轴的电枢反应电抗较大，从而存在较大的弱磁升速空间。另外，d轴的等效气隙较q轴等效气隙更大，所以发电机的凸极率p=Lq/Ld>1。转子交、直轴磁路不对称的凸极效应所产生的磁阻转矩有助于提高发电机的功率密度和过载能力，而且易于弱磁扩速，提高发电机的恒功率运行范围。

（2）切向式转子磁路

      对于切向式的IPMQ的转子磁路结构，相邻两个磁极并联提供一个极距下的磁通。所以可以得到更大的每极磁通。当发电机的极对数较多时，该结构更加突出。采用切向式结构发电机的磁阻转矩在发电机的总电磁转矩中的比例可达40%。

（3）混合式转子磁路

      混合式结构的PMSM，它结合了径向式和切向式的优点，但结构和工艺复杂，成本高。

      径向式结构的PMSM漏磁系数较小，不需要采取隔离措施，极弧系数易于控制，转子强度高，永磁体不易变形。切向式结构的PMSM漏磁系数大，需要采取隔离措施，每极磁通大，极数多，磁阻转矩大。

 

图1  永磁发电机表面嵌入式转子结构图

图2 永磁发电机内置式转子结构图

 

 

二、永磁同步发电机的优缺点

 

      永磁发电机与自励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁磁铁产生的，处于发电机位置如图3所示。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。同步交流无刷发电机三维模拟图如图4所示。

1、优点

（1）用永磁体取代绕线式同步发电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠。

（2）永磁同步发电机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制发电机的转速。

（3）永磁同步发电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的发电机转矩的扰动具有较强的承受能力。

（4）永磁发电机转子为永久磁铁无需励磁，因此发电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。

（5）永磁同步发电机与异步发电机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。

（6）永磁转子结构的采用，使发电机内部结构设计排列的很紧凑，体积、重量大大减少。永磁转子结构简单，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积比例）达到一个很高的值。

（7）结构多样化，应用范围广。永磁式发电机特别适合于潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作，环境适应能力较强。

2、缺点

（1）温度敏感性：

      永磁体的磁性会受到温度的影响，如果温度过高，磁性可能会下降，从而影响发电机的输出性能和寿命。

（2）成本较高

      相对于传统发电机，永磁发电机使用的磁体材料价格昂贵，且制造和装配过程需要精细处理，导致其加工和装配成本也相对较高。

（3）无法调节输出电压：

      传统的交流发电机可以通过励磁调节产生不同的电压和电流输出，而永磁发电机的输出电压和电流是由磁体和转速来决定的，因此在需要不同电压和电流输出的场景下，永磁发电机就不太可行。

（4）功率限制：

      在恒功率模式下，永磁发电机的操纵较为复杂，控制系统成本较高，弱磁能力差，调速范围有限，功率范围较小，受磁材料工艺的限制。

（5）可能退磁：

      如果使用不当，如在过高或过低温度下工作，或在冲击电流所产生的电枢反应作用下，或者在剧烈的机械振动下，有可能产生不可逆的退磁，使发电机的性能下降，甚至无法使用。

 

图3  同步发电机的永久磁铁位置示意图

图4  同步交流无刷发电机三维模拟图

 

 

三、发电机运行原理与特性

 

1、电枢反应

      永磁同步发电机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应不仅使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用，因此，气隙磁场将影响永磁同步发电机的运行特性。

2、电压方程式

      忽略磁饱和效应的影响，永磁同步发电机的电压方程式为

 U=E₀+Ⅰ_αR_α+jⅠ_dX_d+jⅠ_qX_q

式中，U——为电枢端电压；

E_0——为励磁电动势；

Ⅰ_α——为电枢电流；

Ⅰ_d——为电枢电流在d轴的分量；

Ⅰ_q——为电枢电流在q轴的分量；

R_α——为电枢绕组电阻；

X_d——为直轴同步电抗；

X_q——为交轴同步电抗。

3、功率与转矩

      当永磁同步发电机具有滞后功率因数并考虑电枢电阻的影响，发电机从电网输入的电功率为

 

式中，cosφ——为发电机的功率角。

      发电机的电磁功率为：

 Ρe=Ρ₁-Ρcuα

式中，Ρcuα——为发电机的电枢绕组铜耗。

      如果忽略电枢电阻的影响，则

 

      上式的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁功率或磁阻功率。

      电磁功率与功率角的关系称为永磁同步发电机的功角特性。

4、运行特性

      永磁同步发电机的运行特性主要是机械特性和工作特性。

（1）机械特性

      机械特性是为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节发电机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。永磁同步发电机机械特性曲线图如图5所示。

（2）工作特性

      工作特性指当电源电压恒定时，发电机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。永磁同步发电机工作特性曲线图如图6所示。

 

图5  永磁同步发电机机械特性曲线图

图6  永磁同步发电机工作特性曲线图

 

四、发电机的数学模型

 

      建立永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的数学模型，包括连续域模型和离散域型，也包括三相ABC坐标系、两相静止坐标系、两相旋转dq坐标系下的模型，并且以综合矢量的视角解释他们的相互转换关系。

1、假定条件

      此处建立的模型基于以下假设条件：

（1）磁路不饱和，发电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；

（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；

（3）发电机的反电动势是正弦的；

（4）发电机各相绕组电阻相等；

（5）转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。

2、静止坐标

      三相绕组的静止坐标系(ABC)电压方程为：

 

      通过坐标变换，可以将永磁同步发电机在ABC三相静止坐标系下的电压电流量变换到转子坐标系下，如图5所示。由此可以得：

 

      电磁转矩方程为：

 

 

      与定子磁链空间矢量同相， 且定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间角度，则：

i_d=i_scosβ

i_q=i_ssinβ

     下式代入上式得到：

 

 

      由上式可以看出，永磁同步发电机输出转矩中包含两个分量，第一项是由两磁场互相作用所产生的电磁转矩，第二项是由凸极效应引起，并与两轴电感参数的差值成正比的磁阻转矩。永磁发电机d轴线和q轴线示意图如图6所示。

3、PMSM的综合矢量模型

      综合矢量最初是来自磁场叠加原理，将空间中的磁链矢量进行矢量合成，得到气隙总磁链。为了将方程推广到综合矢量的形式下，对于电压、电流等物理量，也提出综合矢量的概念。

4、PMSM的离散域模型

      在电流预测控制、高速低载波比控制等场合，常用到PMSM的离散时间模型。对连续模型进行离散化的方法很多，包括前向欧拉法，改进欧拉法，双线性变换法，z变换法等方法。

 

图5  发电机静止三相坐标图

图6  永磁发电机dq轴线示意图

 

总结：

      永磁发电机和普通发电机的内部结构存在较大差异。通常来说，永磁发电机会采用永磁体产生磁场，而普通发电机则需要通过外部励磁产生磁场。因此，永磁发电机内部部件相对较少，结构相对简单，维护成本也较低。尽管永磁发电机和普通发电机在结构、工作原理、发电效率、可靠性和使用成本等方面存在一定差异，但它们都是将机械能转化为电能的重要设备。总之，永磁发电机在技术上比传统发电机更加成熟，已经成为当前发电领域的热门技术之一，随着技术的进一步发展和完善，永磁发电机的应用范围还将继续拓展。

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