新聞主題	永磁發(fā)電機工作原理和結(jié)構(gòu)圖

 

摘要：永磁發(fā)電機（Permanent Magnet Generator 簡稱PGM）具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，在康明斯發(fā)電機組產(chǎn)品上具有很高的應(yīng)用價值。永磁同步發(fā)電機得到較快發(fā)展，特別是在柴油發(fā)電機組中開始逐步取代最常用的交流無刷發(fā)電機，由于永磁同步發(fā)電機的性能優(yōu)越，目前來看是一種很有前途的節(jié)能電機。康明斯公司在本文重點介紹了永磁發(fā)電機工作原理、結(jié)構(gòu)特點、特性曲線和數(shù)學建模等相關(guān)知識以及計算方程式。

 

一、永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)

 

      永磁同步發(fā)電機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步發(fā)電機和方波驅(qū)動電流的永磁同步發(fā)電機。這里介紹的主要是以三相正弦波驅(qū)動的永磁同步發(fā)電機。永磁發(fā)電機的主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。其定子結(jié)構(gòu)與普通的交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常相似，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與交流發(fā)電機的最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極，根據(jù)在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置的不同，永磁發(fā)電機通常被分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

1、表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

      圖1中已經(jīng)標出了兩種表面式轉(zhuǎn)子的d軸線與q軸線的位置，d軸線與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁極所在的軸線重合，q軸線超前d軸90電角度，即相鄰兩個磁極的集合中性軸線。由于在不同轉(zhuǎn)子中的磁極對數(shù)不一樣，所以q軸與d軸之間的機械角度差時不同的，但是電角度的差都是90度。

      對于這種表面式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體貼在轉(zhuǎn)子圓形鐵芯外側(cè)，由于永磁體材料磁導率與氣隙磁導率接近，即相對磁導率接近1,其有效氣隙長度是氣隙和徑向永磁體厚度總和；交直軸磁路基本對稱，發(fā)電機的凸極率p=Lq/Ld≈1,所以表面式PMSM是典型的隱極發(fā)電機，無凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩；該類發(fā)電機交、直軸磁路的等效氣隙都很大，所以電樞反應(yīng)比較小，弱磁能力較差，其恒功率弱磁運行范圍通常較小。由于永磁體直接暴露在氣隙磁場中，因而容易退磁，弱磁能力受到限制。由于制造工藝簡單、成本低，應(yīng)用較廣泛，尤其適宜于方波式永磁發(fā)電機。

2、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

      顧名思義永磁體埋于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，其表面與氣隙之間有鐵磁物質(zhì)的極靴保護，永磁體受到極靴的保護。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。對于內(nèi)置式PMSM其q軸的電感大于d軸的電感，有利于弱磁升速，由于永磁體埋于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加牢固，易于提高發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)的安全性。內(nèi)置式PMSM轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)包括徑向式、切向式和混合式。

（1）徑向式轉(zhuǎn)子磁路

      永磁體置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，適用于高速運行場合；有效氣隙較小，d軸和q軸的電樞反應(yīng)電抗較大，從而存在較大的弱磁升速空間。另外，d軸的等效氣隙較q軸等效氣隙更大，所以發(fā)電機的凸極率p=Lq/Ld>1。轉(zhuǎn)子交、直軸磁路不對稱的凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高發(fā)電機的功率密度和過載能力，而且易于弱磁擴速，提高發(fā)電機的恒功率運行范圍。

（2）切向式轉(zhuǎn)子磁路

      對于切向式的IPMQ的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，相鄰兩個磁極并聯(lián)提供一個極距下的磁通。所以可以得到更大的每極磁通。當發(fā)電機的極對數(shù)較多時，該結(jié)構(gòu)更加突出。采用切向式結(jié)構(gòu)發(fā)電機的磁阻轉(zhuǎn)矩在發(fā)電機的總電磁轉(zhuǎn)矩中的比例可達40%。

（3）混合式轉(zhuǎn)子磁路

      混合式結(jié)構(gòu)的PMSM，它結(jié)合了徑向式和切向式的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)和工藝復雜，成本高。

      徑向式結(jié)構(gòu)的PMSM漏磁系數(shù)較小，不需要采取隔離措施，極弧系數(shù)易于控制，轉(zhuǎn)子強度高，永磁體不易變形。切向式結(jié)構(gòu)的PMSM漏磁系數(shù)大，需要采取隔離措施，每極磁通大，極數(shù)多，磁阻轉(zhuǎn)矩大。

 

圖1  永磁發(fā)電機表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖2 永磁發(fā)電機內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

 

 

二、永磁同步發(fā)電機的優(yōu)缺點

 

      永磁發(fā)電機與自勵磁發(fā)電機的最大區(qū)別在于它的勵磁磁場是由永磁磁鐵產(chǎn)生的，處于發(fā)電機位置如圖3所示。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(chǎn)廠的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數(shù)據(jù)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(tài)而變化。同步交流無刷發(fā)電機三維模擬圖如圖4所示。

1、優(yōu)點

（1）用永磁體取代繞線式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷，以電子換向?qū)崿F(xiàn)無刷運行，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。

（2）永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

（3）永磁同步發(fā)電機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力。

（4）永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無需勵磁，因此發(fā)電機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬。

（5）永磁同步發(fā)電機與異步發(fā)電機相比，不需要無功勵磁電流，因而功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高。

（6）永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計排列的很緊湊，體積、重量大大減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減少，實用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積比例）達到一個很高的值。

（7）結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。永磁式發(fā)電機特別適合于潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作，環(huán)境適應(yīng)能力較強。

2、缺點

（1）溫度敏感性：

      永磁體的磁性會受到溫度的影響，如果溫度過高，磁性可能會下降，從而影響發(fā)電機的輸出性能和壽命。

（2）成本較高

      相對于傳統(tǒng)發(fā)電機，永磁發(fā)電機使用的磁體材料價格昂貴，且制造和裝配過程需要精細處理，導致其加工和裝配成本也相對較高。

（3）無法調(diào)節(jié)輸出電壓：

      傳統(tǒng)的交流發(fā)電機可以通過勵磁調(diào)節(jié)產(chǎn)生不同的電壓和電流輸出，而永磁發(fā)電機的輸出電壓和電流是由磁體和轉(zhuǎn)速來決定的，因此在需要不同電壓和電流輸出的場景下，永磁發(fā)電機就不太可行。

（4）功率限制：

      在恒功率模式下，永磁發(fā)電機的操縱較為復雜，控制系統(tǒng)成本較高，弱磁能力差，調(diào)速范圍有限，功率范圍較小，受磁材料工藝的限制。

（5）可能退磁：

      如果使用不當，如在過高或過低溫度下工作，或在沖擊電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或者在劇烈的機械振動下，有可能產(chǎn)生不可逆的退磁，使發(fā)電機的性能下降，甚至無法使用。

 

圖3  同步發(fā)電機的永久磁鐵位置示意圖

圖4  同步交流無刷發(fā)電機三維模擬圖

 

 

三、發(fā)電機運行原理與特性

 

1、電樞反應(yīng)

      永磁同步發(fā)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(yīng)。電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，而且還會產(chǎn)生去磁或增磁作用，因此，氣隙磁場將影響永磁同步發(fā)電機的運行特性。

2、電壓方程式

      忽略磁飽和效應(yīng)的影響，永磁同步發(fā)電機的電壓方程式為

 U=E?+Ⅰ_αR_α+jⅠ_dX_d+jⅠ_qX_q

式中，U——為電樞端電壓；

E_0——為勵磁電動勢；

Ⅰ_α——為電樞電流；

Ⅰ_d——為電樞電流在d軸的分量；

Ⅰ_q——為電樞電流在q軸的分量；

R_α——為電樞繞組電阻；

X_d——為直軸同步電抗；

X_q——為交軸同步電抗。

3、功率與轉(zhuǎn)矩

      當永磁同步發(fā)電機具有滯后功率因數(shù)并考慮電樞電阻的影響，發(fā)電機從電網(wǎng)輸入的電功率為

 

式中，cosφ——為發(fā)電機的功率角。

      發(fā)電機的電磁功率為：

 Ρe=Ρ₁-Ρcuα

式中，Ρcuα——為發(fā)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(chǎn)生；后半部分因凸極效應(yīng)產(chǎn)生，稱為附加電磁功率或磁阻功率。

      電磁功率與功率角的關(guān)系稱為永磁同步發(fā)電機的功角特性。

4、運行特性

      永磁同步發(fā)電機的運行特性主要是機械特性和工作特性。

（1）機械特性

      機械特性是為平行于橫軸的直線，調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速將嚴格地與頻率成正比例變化。永磁同步發(fā)電機機械特性曲線圖如圖5所示。

（2）工作特性

      工作特性指當電源電壓恒定時，發(fā)電機的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系。永磁同步發(fā)電機工作特性曲線圖如圖6所示。

 

圖5  永磁同步發(fā)電機機械特性曲線圖

圖6  永磁同步發(fā)電機工作特性曲線圖

 

四、發(fā)電機的數(shù)學模型

 

      建立永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的數(shù)學模型，包括連續(xù)域模型和離散域型，也包括三相ABC坐標系、兩相靜止坐標系、兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的模型，并且以綜合矢量的視角解釋他們的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1、假定條件

      此處建立的模型基于以下假設(shè)條件：

（1）磁路不飽和，發(fā)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(yīng)的影響；

（3）發(fā)電機的反電動勢是正弦的；

（4）發(fā)電機各相繞組電阻相等；

（5）轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。

2、靜止坐標

      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(fā)電機在ABC三相靜止坐標系下的電壓電流量變換到轉(zhuǎn)子坐標系下，如圖5所示。由此可以得：

 

      電磁轉(zhuǎn)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(chǎn)生的氣隙磁場間的空間角度，則：

i_d=i_scosβ

i_q=i_ssinβ

     下式代入上式得到：

 

 

      由上式可以看出，永磁同步發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個分量，第一項是由兩磁場互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項是由凸極效應(yīng)引起，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁發(fā)電機d軸線和q軸線示意圖如圖6所示。

3、PMSM的綜合矢量模型

      綜合矢量最初是來自磁場疊加原理，將空間中的磁鏈矢量進行矢量合成，得到氣隙總磁鏈。為了將方程推廣到綜合矢量的形式下，對于電壓、電流等物理量，也提出綜合矢量的概念。

4、PMSM的離散域模型

      在電流預測控制、高速低載波比控制等場合，常用到PMSM的離散時間模型。對連續(xù)模型進行離散化的方法很多，包括前向歐拉法，改進歐拉法，雙線性變換法，z變換法等方法。

 

圖5  發(fā)電機靜止三相坐標圖

圖6  永磁發(fā)電機dq軸線示意圖

 

總結(jié)：

      永磁發(fā)電機和普通發(fā)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大差異。通常來說，永磁發(fā)電機會采用永磁體產(chǎn)生磁場，而普通發(fā)電機則需要通過外部勵磁產(chǎn)生磁場。因此，永磁發(fā)電機內(nèi)部部件相對較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，維護成本也較低。盡管永磁發(fā)電機和普通發(fā)電機在結(jié)構(gòu)、工作原理、發(fā)電效率、可靠性和使用成本等方面存在一定差異，但它們都是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的重要設(shè)備?？傊?，永磁發(fā)電機在技術(shù)上比傳統(tǒng)發(fā)電機更加成熟，已經(jīng)成為當前發(fā)電領(lǐng)域的熱門技術(shù)之一，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和完善，永磁發(fā)電機的應(yīng)用范圍還將繼續(xù)拓展。

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