永磁發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)圖
永磁發(fā)電機(jī)（permanent magnet generator簡(jiǎn)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(dòng)噪聲的特點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)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(jià)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)。康明斯公司在本文重點(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(shí)以及計(jì)算方程式。
永磁發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。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(dòng)勢(shì)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。
一、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
1、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(dòng)電流的永磁同步發(fā)電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)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(dòng)的永磁同步發(fā)電機(jī)。
圖1永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
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)。
圖2 永磁發(fā)電機(jī)表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖
圖3 永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖
2、永磁同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)
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(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)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(jiǎn)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(duì)于因負(fù)載的變化而引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)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(lì)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(lì)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）體積小、重量輕。
（7）結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。
缺點(diǎn)：
（1）由于永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場(chǎng)，這會(huì)增大定子的電流，增加發(fā)電機(jī)的銅耗；
（2）永磁發(fā)電機(jī)的磁鋼價(jià)格較高。
二、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(shí)，氣隙磁場(chǎng)是永磁體磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同建立的。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)有影響，電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變，而且還會(huì)產(chǎn)生去磁或增磁作用，因此，氣隙磁場(chǎng)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
式中，
u——為電樞端電壓；
e0——為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)；
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(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(chǎng)與電樞磁場(chǎng)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
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(shí)，轉(zhuǎn)速將嚴(yán)格地與頻率成正比例變化。
（2）工作特性
指當(dāng)電源電壓恒定時(shí)，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。
圖4 永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線圖
圖5 永磁同步發(fā)電機(jī)工作特性曲線圖
三、發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
1、假定：
（1）磁路不飽和，發(fā)電機(jī)電感不受電流變化影響，不計(jì)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(dòng)勢(shì)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)
圖6 發(fā)電機(jī)靜止三相坐標(biāo)圖
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。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(chǎng)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(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個(gè)分量，第一項(xiàng)是由兩磁場(chǎng)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。

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