永磁发电机工作原理和结构图

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结构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运用价值。永磁同步发电机得到较快发展，特别是在柴油发电机组中开始逐步取代较主用的交流无刷发电机，由于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作业原理、组成特点、特征曲线和数学建模等相关知识以及计算方程式。

      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。永磁发电机的主要是由转子、端盖及定子等各部件构造。其定子构造与普通的交流发电机的构成非常相似，转子构造与交流发电机的较大不同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，永磁发电机一般被分为表面式转子构造和内置式转子构成。

      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。因为在不一样转子中的磁极对数不同，于是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构成，永磁体贴在转子圆形铁芯外侧，因为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康明斯低噪音柴油发电机组，故而表面式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，故而电枢反应比较小，弱磁能力较差，其恒容量弱磁运转范围通常较小。由于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。由于制造工艺简单、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。其构造如图2所示。对于内置式PMSM其q轴的电感大于d轴的电感，有利于弱磁升速柴油发电机组价格一览表，由于永磁体埋于转子铁芯内部，转子组成更加牢固，易于提升发电机高速旋转的安全性。内置式PMSM转子磁路结构包括径向式、切向式和混合式。

      永磁体置于转子的内部，实用于高速运转场合；有效气隙较小，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，于是发电机的凸极率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升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，相邻两个磁极并机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，该组成更加突出。采用切向式构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%。

      混合式构造的PMSM，它结合了径向式和切向式的好处，但构成和工艺复杂，成本高。

      径向式结构的PMSM漏磁系数较小，不需要采取隔离举措，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，需要采取隔离途径，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区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，又是磁路的组成部分。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、充磁机的容量和充磁举措有关，主要性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能供应的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运转状态而变化。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、滑环和碳刷，以电子换向实现无刷运行，组成简单，运行可靠。

（2）永磁同步发电机的转速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速度。

（3）永磁同步发电机具有较硬的机械特点，对于因负载的变化而导致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速度下保持同步运行，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，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。

（6）永磁转子结构的采用，使发电机内部构造布置排列的很紧凑，体积、毛重大大减轻。永磁转子组成大概，还使得转子转动惯量减小，适用转速增加，比功率（即容量、体积比例）达到一个很高的值。

（7）构成多样化，运用范围广。永磁式发电机特别适用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影响，如果温度较高，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，且制造和装配程序需要精细处置，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产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，因此在需要不一样电压和电流输出的场景下，永磁发电机就不太可行。

      在恒功率模式下，永磁发电机的操纵较为复杂，控制机构成本过高，弱磁能力差，调速范围有限，功率范围较小，受磁材料工艺的限制。

      如果操作不当，如在过高或过低温度下工作，或在冲击电流所出现的电枢反应功能下，或者在剧烈的机械振动下，有可能出现不可逆的退磁，使发电机的性能下降，甚至不能操作。

      永磁同步发电机带负载时，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，而且还会出现去磁或增磁作用，因此，气隙磁场将危害永磁同步发电机的运转特征。

      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容量因数并考虑电枢电阻的影响，发电机从大电输入的电容量为

      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用途发生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁功率或磁阻功率。

      电磁容量与功率角的关系称为永磁同步发电机的功角特征。

      永磁同步发电机的运行特点主要是机械特征和作业特点。

      机械特点是为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节发电机速度时，转速将严格地与频率成正比例变化。永磁同步发电机机械特征曲线）工作特点

指当电源电压恒定期，发电机的输入容量、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。永磁同步发电机工作特征曲线所示。 

      建立永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）的数学模型，包括持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切换关系。

（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危害；

      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用途所出现的电磁转矩，第二项是由凸极效应致使，并与两轴电感参数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，常用到PMSM的离散时间模型。对持续模型进行离散化的措施很多，包括前向欧拉法，改善欧拉法，双线性变换法，z变换法等举措。 

      永磁发电机和普通发电机的内部组成存在较大区别。通常来说，永磁发电机会采用永磁体发生磁场，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，构成相对简单，维护成本也过低。尽管永磁发电机和普通发电机在组成、作业原理、发电效率、可靠性和操作成本等方面存在一定区别，但它们都是将机械能转化为电能的重要设备。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康明斯柴油发电机控制面板，永磁发电机的运用范围还将继续拓展。