摘要：與普通勵磁發(fā)電機相比，永磁發(fā)電機具有功率密度高、特征信號小、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、發(fā)電機的尺寸和形狀靈活多樣等性能特點。永磁同步發(fā)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(zhì)量比較顯著，同時由于電力電子技術的發(fā)展和逆變技術可靠性的完善和發(fā)展，主要用于要求響應快速、調(diào)速范圍寬、定位準確的高性能柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)。

一、勵磁和永磁發(fā)電機的各種特點

      柴油發(fā)電機組的電球可分為永磁發(fā)電機和勵磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機與勵磁發(fā)電機的最大區(qū)別在于它的勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。

1、勵磁發(fā)電機

      勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統(tǒng)的自動勵磁調(diào)節(jié)器對提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機組的穩(wěn)定性具有相當大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導致機組穩(wěn)定極限降低的趨勢，也促使勵磁技術不斷發(fā)展。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器（裝置）兩大部分組成。

      其中勵磁功率單元是指向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機本身一起組成的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部份，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身的安全穩(wěn)定運行有很大的影響。勵磁系統(tǒng)的主要特點：

（1）根據(jù)發(fā)電機負荷的變化相應的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；

（2）控制并列運行各發(fā)電機間無功功率分配；

（3）提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)穩(wěn)定性；

（4）提高發(fā)電機并列運行的暫態(tài)穩(wěn)定性；

（5）在發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度；

（6）根據(jù)運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

2、永磁同步發(fā)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(yōu)異性能，因此特別適合應用在永磁同步發(fā)電機上。從此，永磁同步發(fā)電機進入了飛速發(fā)展的時代。與傳統(tǒng)的電勵磁式同步發(fā)電機相比，永磁同步發(fā)電機有以下幾個方面的優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單

      永磁同步發(fā)電機省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單（如圖1所示），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(fā)電機轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小發(fā)電機體積，提高功率質(zhì)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(huán)間的摩擦、接觸損耗。另外，在設置緊圈的情況下，轉(zhuǎn)子表面光滑，風阻小。與凸極式交流電勵磁同步發(fā)電機相比，同等功率的永磁同步發(fā)電機的總損耗大約要小10％～15％。

（4）電壓調(diào)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(fā)電機小得多，因而固有電壓調(diào)整率也比電勵磁式同步發(fā)電機小。發(fā)電機電路示意圖如圖2所示。

（5）高可靠性

      永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子軸上也不需要安裝集電環(huán)，因而沒有電勵磁式發(fā)電機上存在的勵磁短路、斷路、絕緣損壞、電刷集電環(huán)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(fā)電機的零部件也少于一般發(fā)電機，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。

      雖然永磁同步發(fā)電機具有上述諸多優(yōu)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(fā)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(diào)節(jié)發(fā)電機的磁場變化極為困難；由于勵磁不可調(diào)，轉(zhuǎn)速的變化和負載電流的變化都將造成輸出電壓的波動?？梢哉f，勵磁不可調(diào)整引起的輸出電壓不穩(wěn)已經(jīng)成為限制永磁同步發(fā)電機推廣應用的瓶頸。

二、永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)

1、整體結(jié)構(gòu)

      永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

（1）定子

      定子是指發(fā)電機在運行時的固定部分，主要由硅鋼片、三相丫形聯(lián)結(jié)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。

（2）轉(zhuǎn)子

      轉(zhuǎn)子是指發(fā)電機運行時的旋轉(zhuǎn)部分，通常由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體磁鋼、套環(huán)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。永磁材料，尤其是鈷永磁材料的抗拉強度低，質(zhì)硬而脆。如果轉(zhuǎn)子上無防護措施，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子直徑較大或高速運行時，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度，將使永磁體出現(xiàn)破壞，所以高速運行的永磁同步發(fā)電機多選用套環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所謂套環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，就是通過一個高強度的金屬材料制成的薄壁圓環(huán)緊緊地套在轉(zhuǎn)子外圓或內(nèi)圓處，通過套環(huán)把電機轉(zhuǎn)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(fā)電機的轉(zhuǎn)子像一個完整的實心體，保證了高速運行時的可靠性。

2、轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)

      永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子上，通常，按照永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關系，可分為切向式和徑向式等。

（1）切向式轉(zhuǎn)子磁路的結(jié)構(gòu)

      在切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)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(chǎn)生并聯(lián)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(shù)較多的情況下更為突出。因此，切向式適合于極數(shù)多且要求氣隙磁通密度高的永磁同步發(fā)電機。永磁體和極靴的固定方式采用套環(huán)式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

（2）徑向式轉(zhuǎn)子磁路的結(jié)構(gòu)

      徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)如圖4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(lián)狀態(tài)，每塊永磁體的截面提供發(fā)電機每極氣隙磁通，每塊永磁體的磁勢提供發(fā)電機一個極的磁勢。