新聞主題	永磁發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)圖

 

摘要：永磁發(fā)電機(jī)（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(diǎn)，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(jī)組產(chǎn)品上具有很高的應(yīng)用價值。永磁同步發(fā)電機(jī)得到較快發(fā)展，特別是在柴油發(fā)電機(jī)組中開始逐步取代最常用的交流無刷發(fā)電機(jī)，由于永磁同步發(fā)電機(jī)的性能優(yōu)越，目前來看是一種很有前途的節(jié)能電機(jī)?？得魉构驹诒疚闹攸c(diǎn)介紹了永磁發(fā)電機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、特性曲線和數(shù)學(xué)建模等相關(guān)知識以及計算方程式。

 

一、永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

 

      永磁同步發(fā)電機(jī)分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步發(fā)電機(jī)和方波驅(qū)動電流的永磁同步發(fā)電機(jī)。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(jī)。永磁發(fā)電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(biāo)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(jī)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(jī)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(dǎo)率與氣隙磁導(dǎo)率接近，即相對磁導(dǎo)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(jī)的凸極率p=Lq/Ld≈1,所以表面式PMSM是典型的隱極發(fā)電機(jī)，無凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩；該類發(fā)電機(jī)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(yùn)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(jī)。

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(hù)，永磁體受到極靴的保護(hù)。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(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)的功率密度和過載能力，而且易于弱磁擴(kuò)速，提高發(fā)電機(jī)的恒功率運(yùn)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(dāng)發(fā)電機(jī)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(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩在發(fā)電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩中的比例可達(dá)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(diǎn)，但結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)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(qiáng)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(jī)表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

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

 

 

二、永磁同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

 

      永磁發(fā)電機(jī)與自勵磁發(fā)電機(jī)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(jī)位置如圖3所示。永磁體在電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。同步交流無刷發(fā)電機(jī)三維模擬圖如圖4所示。

1、優(yōu)點(diǎn)

（1）用永磁體取代繞線式同步發(fā)電機(jī)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(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。

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

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

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

（5）永磁同步發(fā)電機(jī)與異步發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積比例）達(dá)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(jī)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(qiáng)。

2、缺點(diǎn)

（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(jī)的輸出性能和壽命。

（2）成本較高

      相對于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)使用的磁體材料價格昂貴，且制造和裝配過程需要精細(xì)處理，導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)就不太可行。

（4）功率限制：

      在恒功率模式下，永磁發(fā)電機(jī)的操縱較為復(fù)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(dāng)，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(jī)械振動下，有可能產(chǎn)生不可逆的退磁，使發(fā)電機(jī)的性能下降，甚至無法使用。

 

圖3  同步發(fā)電機(jī)的永久磁鐵位置示意圖

圖4  同步交流無刷發(fā)電機(jī)三維模擬圖

 

 

三、發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理與特性

 

1、電樞反應(yīng)

      永磁同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)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(jī)的運(yùn)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(jī)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(dāng)永磁同步發(fā)電機(jī)具有滯后功率因數(shù)并考慮電樞電阻的影響，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)輸入的電功率為

 

式中，cosφ——為發(fā)電機(jī)的功率角。

      發(fā)電機(jī)的電磁功率為：

 Ρe=Ρ₁-Ρcuα

式中，Ρcuα——為發(fā)電機(jī)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(jī)的功角特性。

4、運(yùn)行特性

      永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性主要是機(jī)械特性和工作特性。

（1）機(jī)械特性

      機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速將嚴(yán)格地與頻率成正比例變化。永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線圖如圖5所示。

（2）工作特性

      工作特性指當(dāng)電源電壓恒定時，發(fā)電機(jī)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(jī)工作特性曲線圖如圖6所示。

 

圖5  永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線圖

圖6  永磁同步發(fā)電機(jī)工作特性曲線圖

 

四、發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

 

      建立永磁同步電動機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的數(shù)學(xué)模型，包括連續(xù)域模型和離散域型，也包括三相ABC坐標(biāo)系、兩相靜止坐標(biāo)系、兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)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(jī)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(jī)的反電動勢是正弦的；

（4）發(fā)電機(jī)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(biāo)

      三相繞組的靜止坐標(biāo)系(ABC)電壓方程為：

 

      通過坐標(biāo)變換，可以將永磁同步發(fā)電機(jī)在ABC三相靜止坐標(biāo)系下的電壓電流量變換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個分量，第一項(xiàng)是由兩磁場互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項(xiàng)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(jī)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?zhǔn)噶窟M(jìn)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(yù)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(jìn)行離散化的方法很多，包括前向歐拉法，改進(jìn)歐拉法，雙線性變換法，z變換法等方法。

 

圖5  發(fā)電機(jī)靜止三相坐標(biāo)圖

圖6  永磁發(fā)電機(jī)dq軸線示意圖

 

總結(jié)：

      永磁發(fā)電機(jī)和普通發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大差異。通常來說，永磁發(fā)電機(jī)會采用永磁體產(chǎn)生磁場，而普通發(fā)電機(jī)則需要通過外部勵磁產(chǎn)生磁場。因此，永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)部部件相對較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，維護(hù)成本也較低。盡管永磁發(fā)電機(jī)和普通發(fā)電機(jī)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的重要設(shè)備?？傊?，永磁發(fā)電機(jī)在技術(shù)上比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)更加成熟，已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)電領(lǐng)域的熱門技術(shù)之一，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍還將繼續(xù)拓展。

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