永磁發電機工作原理和結構圖
永磁發電機（permanent magnet generator簡稱pgm）具有高效、高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性及低振動噪聲的特點，通過合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能，在康明斯發電機組產品上具有很高的應用價值。永磁同步發電機得到較快發展，特別是在柴油發電機組中開始逐步取代最常用的交流無刷發電機，由于永磁同步發電機的性能優越，目前來看是一種很有前途的節能電機。康明斯公司在本文重點介紹了永磁發電機工作原理、結構特點、特性曲線和數學建模等相關知識以及計算方程式。
永磁發電機與勵磁發電機的最大區別在于它的勵磁磁場是由永磁體產生的。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產廠的制造工藝有關，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機的容量和充磁方法有關，具體性能數據的離散性很大。而且永磁體在電機中所能提供的磁通量和磁動勢還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機運行狀態而變化。
一、結構與特點
1、永磁同步發電機結構
永磁同步發電機分為正弦波驅動電流的永磁同步發電機和方波驅動電流的永磁同步發電機。這里介紹的主要是以三相正弦波驅動的永磁同步發電機。
圖1永磁同步發電機的結構示意圖
永磁發電機的主要是由轉子、端蓋及定子等各部件組成。其定子結構與普通的交流發電機的結構非常相似，轉子結構與交流發電機的最大不同是在轉子上放有高質量的永磁體磁極，根據在轉子上安放永磁體的位置的不同，永磁發電機通常被分為表面式轉子結構和內置式轉子結構。
圖2 永磁發電機表面嵌入式轉子結構圖
圖3 永磁發電機內置式轉子結構圖
2、永磁同步發電機的特點
優點：
（1）用永磁體取代繞線式同步發電機轉子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環和電刷，以電子換向實現無刷運行，結構簡單，運行可靠；
（2）永磁同步發電機的轉速與電源頻率間始終保持準確的同步關系，控制電源頻率就能控制發電機的轉速；
（3）永磁同步發電機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的發電機轉矩的擾動具有較強的承受能力；
（4）永磁發電機轉子為永久磁鐵無需勵磁，因此發電機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬；
（5）永磁同步發電機與異步發電機相比，不需要無功勵磁電流，因而功率因數高，定子電流和定子銅耗小，效率高；
（6）體積小、重量輕。
（7）結構多樣化，應用范圍廣。
缺點：
（1）由于永磁同步發電機轉子為永磁體，無法調節，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加發電機的銅耗；
（2）永磁發電機的磁鋼價格較高。
二、運行原理與特性
1、電樞反應
永磁同步發電機帶負載時，氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。電樞磁動勢對氣隙磁場有影響，電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應不僅使氣隙磁場波形發生畸變，而且還會產生去磁或增磁作用，因此，氣隙磁場將影響永磁同步發電機的運行特性。
2、電壓方程式
忽略磁飽和效應的影響，永磁同步發電機的電壓方程式為
式中，
u——為電樞端電壓；
e0——為勵磁電動勢；
iα——為電樞電流；
id——為電樞電流在d軸的分量；
iq——為電樞電流在q軸的分量；
rα——為電樞繞組電阻；
xd——為直軸同步電抗；
xq——為交軸同步電抗。
3、功率與轉矩
當永磁同步發電機具有滯后功率因數并考慮電樞電阻的影響，發電機從電網輸入的電功率為
式中，cosφ——為發電機的功率角。
發電機的電磁功率為：
ρe=ρ1-ρcuα
式中，ρcuα——為發電機的電樞繞組銅耗。
如果忽略電樞電阻的影響，則
上式的前半部分稱為基本電磁功率，由永磁磁場與電樞磁場相互作用產生；后半部分因凸極效應產生，稱為附加電磁功率或磁阻功率。
電磁功率與功率角的關系稱為永磁同步發電機的功角特性。
4、運行特性
永磁同步發電機的運行特性主要是機械特性和工作特性。
（1）機械特性
為平行于橫軸的直線，調節電源頻率來調節發電機轉速時，轉速將嚴格地與頻率成正比例變化。
（2）工作特性
指當電源電壓恒定時，發電機的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數等隨輸出功率變化的關系。
圖4 永磁同步發電機機械特性曲線圖
圖5 永磁同步發電機工作特性曲線圖
三、發電機的數學模型
1、假定：
（1）磁路不飽和，發電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗；
（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應的影響；
（3）發電機的反電動勢是正弦的；
（4）發電機各相繞組電阻相等；
（5）轉子上無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。
2、靜止坐標
圖6 發電機靜止三相坐標圖
三相繞組的靜止坐標系(abc)電壓方程為：
通過坐標變換，可以將永磁同步發電機在abc三相靜止坐標系下的電壓電流量變換到轉子坐標系下。由此可以得：
電磁轉矩方程為：
與定子磁鏈空間矢量同相， 且定子磁鏈與永磁體產生的氣隙磁場間的空間角度，則
下式代入上式得到：
由上式可以看出，永磁同步發電機輸出轉矩中包含兩個分量，第一項是由兩磁場互相作用所產生的電磁轉矩，第二項是由凸極效應引起，并與兩軸電感參數的差值成正比的磁阻轉矩。

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