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(shù)的發(fā)展和逆變技術(shù)可靠性的完善和發(fā)展，永磁發(fā)電機近年來得到廣泛的應用。
一、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，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。
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(guān)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。可以說，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)
永磁同步發(fā)電機本體由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，如圖3-6所示，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。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)與嵌入式一體化結(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(guān)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1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(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。
與切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較小。而且，在這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體可以直接燒鑄或黏結(jié)在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上，結(jié)構(gòu)和工藝較為簡單；極間采用鋁合金燒鑄，保證了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整體性且起到阻尼作用，既可改善發(fā)電機的瞬態(tài)性能，又提高了永磁材料的抗去磁能力。
圖1 發(fā)電機切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 發(fā)電機徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)示意圖
（3）轉(zhuǎn)子嵌入式一體化結(jié)構(gòu)
目前，傳統(tǒng)發(fā)電機組的發(fā)動機、發(fā)電機是相對獨立的。發(fā)動機曲軸有前后兩端，位于發(fā)動機兩端；前端裝有飛輪，外裝啟動拉盤；后端是輸出驅(qū)動，通常用作與發(fā)電機的連接。而在高速發(fā)電機組中，發(fā)電機既用來產(chǎn)生電能，又通過轉(zhuǎn)動慣量計算使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等于飛輪轉(zhuǎn)動慣量，從而用其轉(zhuǎn)子取代原動機的飛輪，使其成為原動機的一部分，實現(xiàn)了“高速發(fā)電機嵌入式一體化結(jié)構(gòu)”。這樣，既可大大減小發(fā)電機組軸向尺寸和重量，也從根本上實現(xiàn)了發(fā)電機組冷熱區(qū)的分離，有利于發(fā)電機組散熱問題的解決，又減少了機件個數(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

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