交流永磁同步發電機的結構特點
發布時間：2023-09-03 點擊：128
永磁同步發電機由于沒有勵磁繞組和勵磁電源，采用了稀土永磁材料，功率質量比較顯著，同時由于電力電子技術的發展和逆變技術可靠性的完善和發展，永磁發電機近年來得到廣泛的應用。
一、永磁同步發電機的特點
稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁等永磁材料于20世紀后期相繼問世，它們具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等優異性能，因此特別適合應用在永磁同步發電機上。從此，永磁同步發電機進入了飛速發展的時代。與傳統的電勵磁式同步發電機相比，永磁同步發電機有以下幾個方面的優點：
1）結構簡單。永磁同步發電機省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環和電刷，結構簡單，加工和裝配費用減少。
2）體積小。采用稀土永磁可以增大氣隙磁密，并把發電機轉速提高到最佳值，從而顯著縮小電機體積，提高功率質量比。
3）效率高。由于省去了勵磁用電，沒有勵磁損耗和電刷集電環間的摩擦、接觸損耗。另外，在設置緊圈的情況下，轉子表面光滑，風阻小。與凸極式交流電勵磁同步發電機相比，同等功率的永磁同步發電機的總損耗大約要小10％～15％。
4）電壓調整率小。處于直軸磁路中的永磁體的磁導率很小，直軸電樞反應電抗較電勵磁式同步發電機小得多，因而固有電壓調整率也比電勵磁式同步發電機小。
5）高可靠性。永磁同步發電機轉子上沒有勵磁繞組，轉子軸上也不需要安裝集電環，因而沒有電勵磁式發電機上存在的勵磁短路、斷路、絕緣損壞、電刷集電環接觸不良等一系列故障連帶關系。另外，由于采用永磁體勵磁，永磁同步發電機的零部件也少于一般發電機，結構簡單，運行可靠。
雖然永磁同步發電機具有上述諸多優點和廣泛的應用前景，但從目前的實際應用情況來看，其應用仍有一定局限，未能得到大面積的推廣和使用。主要原因在于永磁同步發電機采用永磁體勵磁，由于永磁體的高矯頑力使得從外部調節發電機的磁場變化極為困難；由于勵磁不可調，轉速的變化和負載電流的變化都將造成輸出電壓的波動。可以說，勵磁不可調整引起的輸出電壓不穩已經成為限制永磁同步發電機推廣應用的瓶頸。
二、永磁同步發電機的結構
1．整體結構
永磁同步發電機本體由定子和轉子兩大部分組成，如圖3-6所示，定子是指發電機在運行時的固定部分，主要由硅鋼片、三相丫形聯結的對稱分布在定子槽中彼此相差120°電角度的電樞繞組、固定鐵心的機殼及端蓋等部分組成。轉子是指發電機運行時的旋轉部分，通常由轉子鐵心、永磁體磁鋼、套環和轉子轉軸組成。永磁材料，尤其是鈷永磁材料的抗拉強度低，質硬而脆。如果轉子上無防護措施，當發電機轉子直徑較大或高速運行時，轉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度，將使永磁體出現破壞，所以高速運行的永磁同步發電機多選用套環式轉子結構。所謂套環式轉子結構，就是通過一個高強度的金屬材料制成的薄壁圓環緊緊地套在轉子外圓或內圓處，通過套環把電機轉子上的永磁體磁鋼、軟鐵極靴都固定在相應的位置上。這樣，永磁同步發電機的轉子像一個完整的實心體，保證了高速運行時的可靠性。
2．轉子的磁路結構與嵌入式一體化結構
永磁同步發電機的結構特點主要表現在轉子上，通常，按照永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，可分為切向式和徑向式等。
（1）切向式轉子磁路的結構
在切向式轉子磁路結構中，轉子的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁比較大。但永磁體產生并聯作用，有兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數較多的情況下更為突出。因此，切向式適合于極數多且要求氣隙磁通密度高的永磁同步發電機。永磁體和極靴的固定方式采用套環式結構，如圖1所示。
（2）徑向式轉子磁路的結構
徑向式轉子磁路結構如圖2所示，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，在一對磁極的磁路中，有兩個永磁體提供磁動勢，永磁體工作于串聯狀態，每塊永磁體的截面提供發電機每極氣隙磁通，每塊永磁體的磁勢提供發電機一個極的磁勢。
與切向式轉子結構相比，徑向式轉子磁路結構的漏磁系數較小。而且，在這種結構中，由于永磁體直接面對氣隙，且永磁體具有磁場定向性，因此這種結構中氣隙磁感應強度b8接近于永磁體工作點的磁感應強度bm，提高了永磁材料的利用率；徑向式轉子結構的永磁體可以直接燒鑄或黏結在發電機轉軸上，結構和工藝較為簡單；極間采用鋁合金燒鑄，保證了轉子結構的整體性且起到阻尼作用，既可改善發電機的瞬態性能，又提高了永磁材料的抗去磁能力。
圖1 發電機切向式轉子磁路結構示意圖
圖2 發電機徑向式轉子磁路結構示意圖
（3）轉子嵌入式一體化結構
目前，傳統發電機組的發動機、發電機是相對獨立的。發動機曲軸有前后兩端，位于發動機兩端；前端裝有飛輪，外裝啟動拉盤；后端是輸出驅動，通常用作與發電機的連接。而在高速發電機組中，發電機既用來產生電能，又通過轉動慣量計算使其轉子轉動慣量等于飛輪轉動慣量，從而用其轉子取代原動機的飛輪，使其成為原動機的一部分，實現了“高速發電機嵌入式一體化結構”。這樣，既可大大減小發電機組軸向尺寸和重量，也從根本上實現了發電機組冷熱區的分離，有利于發電機組散熱問題的解決，又減少了機件個數，提高了系統的可靠性。
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稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁等永磁材料于20世紀后期相繼問世，它們具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等優異性能，因此特別適合應用在永磁同步發電機上。從此，永磁同步發電機進入了飛速發展的時代。與傳統的電勵磁式同步發電機相比，永磁同步發電機有以下幾個方面的優點：
1）結構簡單。永磁同步發電機省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環和電刷，結構簡單，加工和裝配費用減少。
2）體積小。采用稀土永磁可以增大氣隙磁密，并把發電機轉速提高到最佳值，從而顯著縮小電機體積，提高功率質量比。
3）效率高。由于省去了勵磁用電，沒有勵磁損耗和電刷集電環間的摩擦、接觸損耗。另外，在設置緊圈的情況下，轉子表面光滑，風阻小。與凸極式交流電勵磁同步發電機相比，同等功率的永磁同步發電機的總損耗大約要小10％～15％。
4）電壓調整率小。處于直軸磁路中的永磁體的磁導率很小，直軸電樞反應電抗較電勵磁式同步發電機小得多，因而固有電壓調整率也比電勵磁式同步發電機小。
5）高可靠性。永磁同步發電機轉子上沒有勵磁繞組，轉子軸上也不需要安裝集電環，因而沒有電勵磁式發電機上存在的勵磁短路、斷路、絕緣損壞、電刷集電環接觸不良等一系列故障連帶關系。另外，由于采用永磁體勵磁，永磁同步發電機的零部件也少于一般發電機，結構簡單，運行可靠。
雖然永磁同步發電機具有上述諸多優點和廣泛的應用前景，但從目前的實際應用情況來看，其應用仍有一定局限，未能得到大面積的推廣和使用。主要原因在于永磁同步發電機采用永磁體勵磁，由于永磁體的高矯頑力使得從外部調節發電機的磁場變化極為困難；由于勵磁不可調，轉速的變化和負載電流的變化都將造成輸出電壓的波動。可以說，勵磁不可調整引起的輸出電壓不穩已經成為限制永磁同步發電機推廣應用的瓶頸。
二、永磁同步發電機的結構
1．整體結構
永磁同步發電機本體由定子和轉子兩大部分組成，如圖3-6所示，定子是指發電機在運行時的固定部分，主要由硅鋼片、三相丫形聯結的對稱分布在定子槽中彼此相差120°電角度的電樞繞組、固定鐵心的機殼及端蓋等部分組成。轉子是指發電機運行時的旋轉部分，通常由轉子鐵心、永磁體磁鋼、套環和轉子轉軸組成。永磁材料，尤其是鈷永磁材料的抗拉強度低，質硬而脆。如果轉子上無防護措施，當發電機轉子直徑較大或高速運行時，轉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度，將使永磁體出現破壞，所以高速運行的永磁同步發電機多選用套環式轉子結構。所謂套環式轉子結構，就是通過一個高強度的金屬材料制成的薄壁圓環緊緊地套在轉子外圓或內圓處，通過套環把電機轉子上的永磁體磁鋼、軟鐵極靴都固定在相應的位置上。這樣，永磁同步發電機的轉子像一個完整的實心體，保證了高速運行時的可靠性。
2．轉子的磁路結構與嵌入式一體化結構
永磁同步發電機的結構特點主要表現在轉子上，通常，按照永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，可分為切向式和徑向式等。
（1）切向式轉子磁路的結構
在切向式轉子磁路結構中，轉子的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁比較大。但永磁體產生并聯作用，有兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數較多的情況下更為突出。因此，切向式適合于極數多且要求氣隙磁通密度高的永磁同步發電機。永磁體和極靴的固定方式采用套環式結構，如圖1所示。
（2）徑向式轉子磁路的結構
徑向式轉子磁路結構如圖2所示，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，在一對磁極的磁路中，有兩個永磁體提供磁動勢，永磁體工作于串聯狀態，每塊永磁體的截面提供發電機每極氣隙磁通，每塊永磁體的磁勢提供發電機一個極的磁勢。
與切向式轉子結構相比，徑向式轉子磁路結構的漏磁系數較小。而且，在這種結構中，由于永磁體直接面對氣隙，且永磁體具有磁場定向性，因此這種結構中氣隙磁感應強度b8接近于永磁體工作點的磁感應強度bm，提高了永磁材料的利用率；徑向式轉子結構的永磁體可以直接燒鑄或黏結在發電機轉軸上，結構和工藝較為簡單；極間采用鋁合金燒鑄，保證了轉子結構的整體性且起到阻尼作用，既可改善發電機的瞬態性能，又提高了永磁材料的抗去磁能力。
圖1 發電機切向式轉子磁路結構示意圖
圖2 發電機徑向式轉子磁路結構示意圖
（3）轉子嵌入式一體化結構
目前，傳統發電機組的發動機、發電機是相對獨立的。發動機曲軸有前后兩端，位于發動機兩端；前端裝有飛輪，外裝啟動拉盤；后端是輸出驅動，通常用作與發電機的連接。而在高速發電機組中，發電機既用來產生電能，又通過轉動慣量計算使其轉子轉動慣量等于飛輪轉動慣量，從而用其轉子取代原動機的飛輪，使其成為原動機的一部分，實現了“高速發電機嵌入式一體化結構”。這樣，既可大大減小發電機組軸向尺寸和重量，也從根本上實現了發電機組冷熱區的分離，有利于發電機組散熱問題的解決，又減少了機件個數，提高了系統的可靠性。
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