永磁同步電機(jī)之永磁同步發(fā)電機(jī)

    根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理．永磁同步電動(dòng)機(jī)都可以作為永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。但由于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)電機(jī)的性能要求不同，它們的磁路結(jié)構(gòu)、參數(shù)分析和運(yùn)行性能計(jì)算既有相似之處，又有許多特點(diǎn)。本章分別對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行分析和討論。

1概述

永磁同步發(fā)電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)：由于省去了勵(lì)磁繞組和容易出間題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工和裝配費(fèi)用減少，運(yùn)行更為可靠．采用稀土永磁后可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比．由于省去了勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率得以提高，處于直軸磁路中的永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電樞反應(yīng)電抗茂d較電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小得多，因而固有電壓調(diào)整率也比電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小。

永磁同步發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是：制成后難以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)以控制其軸出電壓和功率因數(shù)‘由于永磁材料和加工工藝的分散性，而且永磁材料，特別是鐵氧體永磁和欽鐵硯永磁的溫度系數(shù)較大，導(dǎo)致電機(jī)的輸出電壓分散，偏離額定電壓；采用稀土永磁后，目前價(jià)格仍較貴。隨著電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高，目前正逐步采用可控整流器和變頗器來調(diào)節(jié)電壓，上述缺點(diǎn)可以得到彌補(bǔ)。

永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，功率大的如航空、航天用主發(fā)電機(jī)、大型火電站用副勵(lì)磁機(jī)．功率小的如汽車、拖拉機(jī)用發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、小型水力發(fā)電機(jī)、小型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組等都廣泛使用各種類型的永磁同步發(fā)電機(jī)。

2永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

水磁同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與永磁同步電動(dòng)機(jī)相同。其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，除不需要起動(dòng)繞組外，也與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似。但由于對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的性能，特別是固有電壓調(diào)整率、電壓波形正弦性畸變率和功率密度的要求較高，有的運(yùn)行轉(zhuǎn)速又很高（例如航空發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常為10000-60000r / min )，其結(jié)構(gòu)布置與選用原則有許多特點(diǎn)。通常按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，分為切向式、徑向式、混合式和軸向式四種。

2 . 1切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中（如圖81和圖8一2所示），永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠(yuǎn)，其漏磁比軸向式結(jié)構(gòu)、徑向式結(jié)構(gòu)要大。但是，在切向式結(jié)構(gòu)中永磁體并聯(lián)作用，有兩個(gè)永磁體截面對(duì)氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數(shù)較多情況下更為突出。因此適合于極數(shù)多且要求氣隙磁密高的永磁同步發(fā)電機(jī)。

    切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)由于永磁體和極靴的固定方式不同，通常分為切向套環(huán)式結(jié)構(gòu)（圖8-1）和切向槽楔式結(jié)構(gòu)（圖8-2 )永磁材料，尤其稀土鉆永磁材料的抗拉強(qiáng)度很低．如果轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上無防護(hù)措施，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑較大或高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子表面所承受的離心力已接近甚至超過永磁材料的抗拉強(qiáng)度，將使永磁體出現(xiàn)破壞，所以高速運(yùn)行的永磁同步發(fā)電機(jī)選用套環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所謂套環(huán)，實(shí)際上是一個(gè)高強(qiáng)度金屬材料制成的薄壁圓環(huán)，緊緊地套在轉(zhuǎn)子外圓處。通過套環(huán)把永磁體、軟鐵極靴都固定在應(yīng)有的位置上。套環(huán)的力學(xué)特點(diǎn)是，在它所包容下的轉(zhuǎn)子內(nèi)部各組件，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（靜止?fàn)顟B(tài)的零轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速和超速狀態(tài)），應(yīng)全部處于壓縮狀態(tài)。因此在靜止?fàn)顟B(tài)裝配時(shí)，需采取過盈配合。這樣，轉(zhuǎn)子內(nèi)部雖然是由許多零件類似“積木”的方式組合而成，但在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，仍像一個(gè)實(shí)心體一樣，保證了運(yùn)行上的可靠。

    切向套環(huán)式轉(zhuǎn)子的磁通路徑為；永磁體N極～軟鐵極靴～套環(huán)的磁性材料段～氣隙～定子鐵心～氣隙～套環(huán)的磁性材料段～軟鐵極靴～永磁體S極從磁通路徑上可以看出：套環(huán)的一部分是主磁路的組成部分，要求導(dǎo)磁性能好；而套環(huán)的另一部分是兩磁極的間隔，需要隔磁。因此套環(huán)是由高強(qiáng)度、高電阻率的磁性金屬材料和非磁性金屬材料交替組合，用電子束焊接而成。有時(shí)為了簡(jiǎn)化工藝，套環(huán)全部用非滋性金屬材料，這時(shí)增加了主磁路的計(jì)算氣隙長(zhǎng)度，增加了永磁體用量。

從磁通路徑還可以看出：對(duì)于切向結(jié)構(gòu)，為了減少漏磁，轉(zhuǎn)子里面的襯套必須由非磁性材料構(gòu)成。而永磁體和軟鐵極靴之間、軟鐵極靴和套環(huán)內(nèi)壁之間是主磁通的路徑，零件必須進(jìn)行高精度加工。

槽楔式結(jié)構(gòu)中永磁體用槽楔固定，工藝和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但對(duì)高速運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，套環(huán)式的可靠性比槽楔式高?？紤]到容量較大的永磁同步發(fā)電機(jī)整體裝配比較困難，有的發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)子沿軸向分為幾段，每段為一個(gè)磁盤。裝配時(shí)，先將每一磁盤分別進(jìn)行組裝，再將所有磁盤套裝在轉(zhuǎn)軸上。而且采用不同數(shù)目的磁盤，改變轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度，就可在保持定、轉(zhuǎn)子徑向尺寸和主要工裝不變的情況下得到各種不同的額定輸出功率。