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永磁發(fā)電機工作原理和結構圖 |
摘要：永磁發(fā)電機（Permanent Magnet Generator 簡(jiǎn)稱(chēng)PGM）具有高效、高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，通過(guò)合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能，在康明斯發(fā)電機組產(chǎn)品上具有很高的應用價(jià)值。永磁同步發(fā)電機得到較快發(fā)展，特別是在柴油發(fā)電機組中開(kāi)始逐步取代最常用的交流無(wú)刷發(fā)電機，由于永磁同步發(fā)電機的性能優(yōu)越，目前來(lái)看是一種很有前途的節能電機?？得魉构驹诒疚闹攸c(diǎn)介紹了永磁發(fā)電機工作原理、結構特點(diǎn)、特性曲線(xiàn)和數學(xué)建模等相關(guān)知識以及計算方程式。
一、永磁同步發(fā)電機結構
永磁同步發(fā)電機分為正弦波驅動(dòng)電流的永磁同步發(fā)電機和方波驅動(dòng)電流的永磁同步發(fā)電機。這里介紹的主要是以三相正弦波驅動(dòng)的永磁同步發(fā)電機。永磁發(fā)電機的主要是由轉子、端蓋及定子等各部件組成。其定子結構與普通的交流發(fā)電機的結構非常相似，轉子結構與交流發(fā)電機的最大不同是在轉子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極，根據在轉子上安放永磁體的位置的不同，永磁發(fā)電機通常被分為表面式轉子結構和內置式轉子結構。
1、表面式轉子結構
圖1中已經(jīng)標出了兩種表面式轉子的d軸線(xiàn)與q軸線(xiàn)的位置，d軸線(xiàn)與發(fā)電機的轉子磁極所在的軸線(xiàn)重合，q軸線(xiàn)超前d軸90電角度，即相鄰兩個(gè)磁極的集合中性軸線(xiàn)。由于在不同轉子中的磁極對數不一樣，所以q軸與d軸之間的機械角度差時(shí)不同的，但是電角度的差都是90度。
對于這種表面式的轉子結構，永磁體貼在轉子圓形鐵芯外側，由于永磁體材料磁導率與氣隙磁導率接近，即相對磁導率接近1,其有效氣隙長(cháng)度是氣隙和徑向永磁體厚度總和；交直軸磁路基本對稱(chēng)，發(fā)電機的凸極率p=Lq/Ld≈1,所以表面式PMSM是典型的隱極發(fā)電機，無(wú)凸極效應和磁阻轉矩；該類(lèi)發(fā)電機交、直軸磁路的等效氣隙都很大，所以電樞反應比較小，弱磁能力較差，其恒功率弱磁運行范圍通常較小。由于永磁體直接暴露在氣隙磁場(chǎng)中，因而容易退磁，弱磁能力受到限制。由于制造工藝簡(jiǎn)單、成本低，應用較廣泛，尤其適宜于方波式永磁發(fā)電機。
2、內置式轉子結構
顧名思義永磁體埋于轉子鐵芯內部，其表面與氣隙之間有鐵磁物質(zhì)的極靴保護，永磁體受到極靴的保護。其結構如圖2所示。對于內置式PMSM其q軸的電感大于d軸的電感，有利于弱磁升速，由于永磁體埋于轉子鐵芯內部，轉子結構更加牢固，易于提高發(fā)電機高速旋轉的安全性。內置式PMSM轉子磁路結構包括徑向式、切向式和混合式。
（1）徑向式轉子磁路
永磁體置于轉子的內部，適用于高速運行場(chǎng)合；有效氣隙較小，d軸和q軸的電樞反應電抗較大，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)電機的凸極率p=Lq/Ld>1。轉子交、直軸磁路不對稱(chēng)的凸極效應所產(chǎn)生的磁阻轉矩有助于提高發(fā)電機的功率密度和過(guò)載能力，而且易于弱磁擴速，提高發(fā)電機的恒功率運行范圍。
（2）切向式轉子磁路
對于切向式的IPMQ的轉子磁路結構，相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供一個(gè)極距下的磁通。所以可以得到更大的每極磁通。當發(fā)電機的極對數較多時(shí)，該結構更加突出。采用切向式結構發(fā)電機的磁阻轉矩在發(fā)電機的總電磁轉矩中的比例可達40%。
（3）混合式轉子磁路
混合式結構的PMSM，它結合了徑向式和切向式的優(yōu)點(diǎn)，但結構和工藝復雜，成本高。
徑向式結構的PMSM漏磁系數較小，不需要采取隔離措施，極弧系數易于控制，轉子強度高，永磁體不易變形。切向式結構的PMSM漏磁系數大，需要采取隔離措施，每極磁通大，極數多，磁阻轉矩大。
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圖1 永磁發(fā)電機表面嵌入式轉子結構圖 |
圖2 永磁發(fā)電機內置式轉子結構圖 |
二、永磁同步發(fā)電機的優(yōu)缺點(diǎn)
永磁發(fā)電機與自勵磁發(fā)電機的最大區別在于它的勵磁磁場(chǎng)是由永磁磁鐵產(chǎn)生的，處于發(fā)電機位置如圖3所示。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產(chǎn)廠(chǎng)的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數據的離散性很大。而且永磁體在電機中所能提供的磁通量和磁動(dòng)勢還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機運行狀態(tài)而變化。同步交流無(wú)刷發(fā)電機三維模擬圖如圖4所示。
1、優(yōu)點(diǎn)
（1）用永磁體取代繞線(xiàn)式同步發(fā)電機轉子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線(xiàn)圈、滑環(huán)和電刷，以電子換向實(shí)現無(wú)刷運行，結構簡(jiǎn)單，運行可靠。
（2）永磁同步發(fā)電機的轉速與電源頻率間始終保持準確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制發(fā)電機的轉速。
（3）永磁同步發(fā)電機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的發(fā)電機轉矩的擾動(dòng)具有較強的承受能力。
（4）永磁發(fā)電機轉子為永久磁鐵無(wú)需勵磁，因此發(fā)電機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬。
（5）永磁同步發(fā)電機與異步發(fā)電機相比，不需要無(wú)功勵磁電流，因而功率因數高，定子電流和定子銅耗小，效率高。
（6）永磁轉子結構的采用，使發(fā)電機內部結構設計排列的很緊湊，體積、重量大大減少。永磁轉子結構簡(jiǎn)單，還使得轉子轉動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉速增加，比功率（即功率、體積比例）達到一個(gè)很高的值。
（7）結構多樣化，應用范圍廣。永磁式發(fā)電機特別適合于潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作，環(huán)境適應能力較強。
2、缺點(diǎn)
（1）溫度敏感性：
永磁體的磁性會(huì )受到溫度的影響，如果溫度過(guò)高，磁性可能會(huì )下降，從而影響發(fā)電機的輸出性能和壽命。
（2）成本較高
相對于傳統發(fā)電機，永磁發(fā)電機使用的磁體材料價(jià)格昂貴，且制造和裝配過(guò)程需要精細處理，導致其加工和裝配成本也相對較高。
（3）無(wú)法調節輸出電壓：
傳統的交流發(fā)電機可以通過(guò)勵磁調節產(chǎn)生不同的電壓和電流輸出，而永磁發(fā)電機的輸出電壓和電流是由磁體和轉速來(lái)決定的，因此在需要不同電壓和電流輸出的場(chǎng)景下，永磁發(fā)電機就不太可行。
（4）功率限制：
在恒功率模式下，永磁發(fā)電機的操縱較為復雜，控制系統成本較高，弱磁能力差，調速范圍有限，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，如在過(guò)高或過(guò)低溫度下工作，或在沖擊電流所產(chǎn)生的電樞反應作用下，或者在劇烈的機械振動(dòng)下，有可能產(chǎn)生不可逆的退磁，使發(fā)電機的性能下降，甚至無(wú)法使用。
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圖3 同步發(fā)電機的永久磁鐵位置示意圖 |
圖4 同步交流無(wú)刷發(fā)電機三維模擬圖 |
三、發(fā)電機運行原理與特性
1、電樞反應
永磁同步發(fā)電機帶負載時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是永磁體磁動(dòng)勢和電樞磁動(dòng)勢共同建立的。電樞磁動(dòng)勢對氣隙磁場(chǎng)有影響，電樞磁動(dòng)勢的基波對氣隙磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應。電樞反應不僅使氣隙磁場(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)電機的運行特性。
2、電壓方程式
忽略磁飽和效應的影響，永磁同步發(fā)電機的電壓方程式為
U=E?+ⅠαRα+jⅠdXd+jⅠqXq
式中，U——為電樞端電壓；
E0——為勵磁電動(dòng)勢；
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、功率與轉矩
當永磁同步發(fā)電機具有滯后功率因數并考慮電樞電阻的影響，發(fā)電機從電網(wǎng)輸入的電功率為
式中，cosφ——為發(fā)電機的功率角。
發(fā)電機的電磁功率為：
Ρe=Ρ1-Ρcuα
式中，Ρcuα——為發(fā)電機的電樞繞組銅耗。
如果忽略電樞電阻的影響，則
上式的前半部分稱(chēng)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產(chǎn)生，稱(chēng)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(chēng)為永磁同步發(fā)電機的功角特性。
4、運行特性
永磁同步發(fā)電機的運行特性主要是機械特性和工作特性。
（1）機械特性
機械特性是為平行于橫軸的直線(xiàn)，調節電源頻率來(lái)調節發(fā)電機轉速時(shí)，轉速將嚴格地與頻率成正比例變化。永磁同步發(fā)電機機械特性曲線(xiàn)圖如圖5所示。
（2）工作特性
工作特性指當電源電壓恒定時(shí)，發(fā)電機的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數等隨輸出功率變化的關(guān)系。永磁同步發(fā)電機工作特性曲線(xiàn)圖如圖6所示。
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圖5 永磁同步發(fā)電機機械特性曲線(xiàn)圖 |
圖6 永磁同步發(fā)電機工作特性曲線(xiàn)圖 |
四、發(fā)電機的數學(xué)模型
建立永磁同步電動(dòng)機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的數學(xué)模型，包括連續域模型和離散域型，也包括三相ABC坐標系、兩相靜止坐標系、兩相旋轉dq坐標系下的模型，并且以綜合矢量的視角解釋他們的相互轉換關(guān)系。
1、假定條件
此處建立的模型基于以下假設條件：
（1）磁路不飽和，發(fā)電機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(guò)程和電樞反應的影響；
（3）發(fā)電機的反電動(dòng)勢是正弦的；
（4）發(fā)電機各相繞組電阻相等；
（5）轉子上無(wú)阻尼繞組，永磁體也沒(méi)有阻尼作用。
2、靜止坐標
三相繞組的靜止坐標系(ABC)電壓方程為：
通過(guò)坐標變換，可以將永磁同步發(fā)電機在A(yíng)BC三相靜止坐標系下的電壓電流量變換到轉子坐標系下，如圖5所示。由此可以得：
電磁轉矩方程為：
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：
id=iscosβ
iq=issinβ
下式代入上式得到：
由上式可以看出，永磁同步發(fā)電機輸出轉矩中包含兩個(gè)分量，第一項是由兩磁場(chǎng)互相作用所產(chǎn)生的電磁轉矩，第二項是由凸極效應引起，并與兩軸電感參數的差值成正比的磁阻轉矩。永磁發(fā)電機d軸線(xiàn)和q軸線(xiàn)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(lái)自磁場(chǎng)疊加原理，將空間中的磁鏈矢量進(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
在電流預測控制、高速低載波比控制等場(chǎng)合，常用到PMSM的離散時(shí)間模型。對連續模型進(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(xiàn)性變換法，z變換法等方法。
圖5 發(fā)電機靜止三相坐標圖 |
圖6 永磁發(fā)電機dq軸線(xiàn)示意圖 |
總結：
永磁發(fā)電機和普通發(fā)電機的內部結構存在較大差異。通常來(lái)說(shuō)，永磁發(fā)電機會(huì )采用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，而普通發(fā)電機則需要通過(guò)外部勵磁產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此，永磁發(fā)電機內部部件相對較少，結構相對簡(jiǎn)單，維護成本也較低。盡管永磁發(fā)電機和普通發(fā)電機在結構、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，但它們都是將機械能轉化為電能的重要設備?？傊?，永磁發(fā)電機在技術(shù)上比傳統發(fā)電機更加成熟，已經(jīng)成為當前發(fā)電領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)之一，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，永磁發(fā)電機的應用范圍還將繼續拓展。
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