永磁发电机工作原理和组成图

摘要：永磁发电机（Permanent Magnet Generator 简称PGM）具有有效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低震动噪声的特征，通过合理布置永磁磁路组成能获得较高的弱磁性能，在康明斯发电机组产品上具有很高的应用价值。永磁同步发电机得到较快发展，特别是在柴发机组中开始逐步取代较常用的交流无刷发电机，因为永磁同步发电机的性能优越，目前来看是一种很有前途的节能电机。康明斯公司在本文重点推荐了永磁发电机工作原理、构成特征、特点曲线和数学建模等相关常识以及计算方程式。

      永磁同步发电机分为正弦波驱动电流的永磁同步发电机和方波驱动电流的永磁同步发电机。这里推荐的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步发电机。永磁发电机的详细是由转子、端盖及定子等各部件构成。其定子构成与普通的交流发电机的组成非常相似，转子构成与交流发电机的较大不一样是在转子上放有高品质的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体的位置的不一样，永磁发电机通常被分为表面式转子构成和内置式转子结构。

      图1中已经标出了两种表面式转子的d轴线与q轴线的位置，d轴线与发电机的转子磁极所在的轴线电角度，即相邻两个磁极的集合中性轴线。由于在不同转子中的磁极对数不一样，所以q轴与d轴之间的机械角度差时不一样的，但是电角度的差都是90度。

      对于这种表面式的转子结构，永磁体贴在转子圆形铁芯外侧，由于永磁体材料磁导率与气隙磁导率接近，即相对磁导率接近1，其有效气隙长度是气隙和径向永磁体厚度总和；交直轴磁路基础对称，发电机的凸极率p=Lq/Ld≈1，于是表面式PMSM是典型的隐极发电机，无凸极效应和磁阻转矩；该类发电机交、直轴磁路的等效气隙都很大，所以电枢反应比较小，弱磁能力较差，其恒容量弱磁运行范围通常较小。因为永磁体直接暴露在气隙磁场中，因而容易退磁，弱磁能力受到限制。由于制造工艺简易、成本低，应用较广泛，尤其适宜于方波式永磁发电机。

      顾名思义永磁体埋于转子铁芯内部，其表面与气隙之间有铁磁物质的极靴保护，永磁体受到极靴的保护。其构成如图2所示。对于内置式PMSM其q轴的电感大于d轴的电感，有利于弱磁升速，由于永磁体埋于转子铁芯内部，转子构造更加牢固，易于提升发电机高速旋转的安全性。内置式PMSM转子磁路组成包括径向式、切向式和混合式。

      永磁体置于转子的内部柴油发电机型号规格及功率，适合于高速运转场合；高效气隙较小，d轴和q轴的电枢反应电抗较大，从而存在较大的弱磁升速空间。另外，d轴的等效气隙较q轴等效气隙更大，故而发电机的凸极率p=Lq/Ld1。转子交、直轴磁路不对称的凸极效应所产生的磁阻转矩有助于提高发电机的功率密度和过载能力，而且易于弱磁扩速，提升发电机的恒容量运转范围。

      对于切向式的IPMQ的转子磁路组成，相邻两个磁极并联提供一个极距下的磁通。故而可以得到更大的每极磁通。当发电机的极对数较多时，该结构更加突出。采用切向式组成发电机的磁阻转矩在发电机的总电磁转矩中的比例可达40%。

      混合式构成的PMSM，它结合了径向式和切向式的优势，但结构和工艺复杂，成本高。

      径向式结构的PMSM漏磁系数较小，不需要采取隔离对策，极弧系数易于控制，转子强度高，永磁体不易变形。切向式组成的PMSM漏磁系数大，需要采取隔离对策，每极磁通大，极数多，磁阻转矩大。

      永磁发电机与自励磁发电机的较大差别在于它的励磁磁场是由永磁磁铁产生的，处于发电机位置如图3所示。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的构成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的功率和充磁程序有关，主要性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。同步交流无刷发电机三维模拟图如图4所示。

（1）用永磁体取代绕线式同步发电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简易，运转可靠。

（2）永磁同步发电机的速度与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制发电机的转速。

（3）永磁同步发电机具有较硬的机械特点，对于因负荷的变化而致使的发电机转矩的扰动具有较强的承受能力。

（4）永磁发电机转子为永久磁铁无需励磁，因此发电机可以在很低的转速下保持同步运转，调速范围宽。

（5）永磁同步发电机与异步发电机相比，不需要无功励磁电流，因而容量因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。

（6）永磁转子组成的采用，使发电机内部构造设计排列的很紧凑，体积、重量大大减小。永磁转子构成简易，还使得转子转动惯量减轻，实用速度增加，比功率（即容量、体积比例）达到一个很高的值柴油发电机型号及规格。

（7）结构多样化，运用范围广。永磁式发电机特别适合于潮湿或灰尘多的恶劣环境下作业，环境适应能力较强。

      永磁体的磁性会受到温度的危害，如果温度过高，磁性可能会下降，从而影响发电机的输出性能和寿命。

      相对于传统发电机，永磁发电机操作的磁体材料价格昂贵，且制造和安装过程需要精细解决，致使其加工和安装成本也相对较高。

      传统的交流发电机可以通过励磁调整发生不一样的电压和电流输出，而永磁发电机的输出电压和电流是由磁体和转速来决定的，因此在需要不同电压和电流输出的场景下，永磁发电机就不太可行。

      在恒容量模式下，永磁发电机的操纵较为复杂，控制系统成本较高，弱磁能力差，调速范围有限，容量范围较小，受磁材料工艺的限制。

      如果操作“非法”，如在太高或太低温度下工作，或在冲击电流所产生的电枢反应作用下，或者在剧烈的机械震动下，有可能发生不可逆的退磁，使发电机的性能下降，甚至无法操作。

      永磁同步发电机带负荷时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势对气隙磁场有危害，电枢磁动势的基波对气隙磁场的危害称为电枢反应。电枢反应不仅使气隙磁场波形产生畸变，而且还会发生去磁或增磁用途，因此，气隙磁场将危害永磁同步发电机的运行特征。

      忽略磁饱和效应的影响，永磁同步发电机的电压方程式为

      当永磁同步发电机具有滞后功率因数并考虑电枢电阻的危害，发电机从电网输入的电容量为

      上式的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁容量或磁阻功率。

      电磁功率与容量角的关系称为永磁同步发电机的功角特点。

      永磁同步发电机的运转特点具体是机械特性和工作特性。

      机械特性是为平行于横轴的直线，调整电源频率来调整发电机转速时，速度将严格地与频率成正比例变化。永磁同步发电机机械特性曲线）工作特征

指当电源电压恒定期，发电机的输入容量、电枢电流、效率、容量因数等随输出容量变化的关系。永磁同步发电机工作特性曲线所示。 

      建立永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）的数学模型，包括连续域模型和离散域型，也包括三相ABC坐标系、两相静止坐标系、两相旋转dq坐标系下的模型，并且以综合矢量的视角解释他们的相互转换关系。

（1）磁路不饱和，发电机电感不受电流变化危害，不计涡流和磁滞损耗；（2）忽略齿槽、换相流程和电枢反应的影响；

      三相绕组的静止坐标系(ABC)电压方程为：

      通过坐标变换，可以将永磁同步发电机在ABC三相静止坐标系下的电压电流量变换到转子坐标系下，如图5所示。由此可以得：

sinβ     下式代入上式得到：  

      由上式可以看出，永磁同步发电机输出转矩中包含两个分量，第一项是由两磁场互相功能所发生的电磁转矩，第二项是由凸极效应致使，并与两轴电感数据的差值成正比的磁阻转矩。永磁发电机d轴线、PMSM的综合矢量模型

      在电流预测控制、高速低载波比控制等场合，主用到PMSM的离散时间模型。对连续模型进行离散化的程序很多，包括前向欧拉法，改善欧拉法，双线性变换法，z变换法等步骤。 

      永磁发电机和普通发电机的内部构造存在较大区别。通常来说柴油发电机价格表，永磁发电机会采用永磁体产生磁场，而普通发电机则需要通过外部励磁产生磁场。因此，永磁发电机内部部件相对较少，构成相对大概，保养成本也过低。尽管永磁发电机和普通发电机在构造、作业原理、发电效率、可靠性和使用成本等方面存在一定差异，但它们都是将机械能转化为电能的重要装备。总之，永磁发电机在技术上比传统发电机更加成熟，已经成为当前发电领域的热门技术之一，随着技术的进一步发展和完善，永磁发电机的运用范围还将继续拓展。