【正文】 永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場項目設(shè)計方案19世紀20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然鐵礦石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85KJ∕m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁材料（最大磁能積現(xiàn)可達40 KJ∕m3），磁性能有了很大的提高，各種微型和小型電機也紛紛使用永磁體來勵磁。這段時期在永磁電機設(shè)計理論、計算方法、充磁和和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性發(fā)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。但是鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36~160KA∕m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（~），限制了它們在電機中的應用范圍。一直到上世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性的退磁曲線等優(yōu)異性能特別適合制造電機，從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。稀土永磁材料的發(fā)展大致可以分為三個階段。1967年美國K??J?Strnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學式可以表示成RCO5（其中R代表釤、鐠等稀土元素），產(chǎn)品最大的磁能積現(xiàn)已超過199KJ∕m3（25MG?Oe）。1973年又出現(xiàn)了磁性性能更好的第二代稀土永磁，∕m3（32MG?Oe）。1983年日本住友特殊金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼（NdFeB）永磁，∕m3（?Oe）， KJ∕m3（50MG?Oe），稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物資鈷，因而引起了國內(nèi)外磁學界的和電機界的極大關(guān)注，紛紛投入大量的人力物力進行研究開發(fā)。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，希望能有更大的突破。 永磁同步發(fā)電機顯著優(yōu)點永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與電勵磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)大體相似，其主要結(jié)構(gòu)分別由定子、轉(zhuǎn)子和機座組成。永磁電機的定子由定子鐵心和定子三相對稱繞組構(gòu)成，其有別與電勵磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、永磁體及相關(guān)支撐部件組成。由于其采用永磁材料，固其具有以下優(yōu)點：1 體積小，重量輕 轉(zhuǎn)子部分采用高磁場的永磁體代替電磁線圈，轉(zhuǎn)子體積要小得多，因此該發(fā)電機的體積和重量要小于常規(guī)電勵磁發(fā)電機。2 效率高，節(jié)能效果顯著 由于永磁體能產(chǎn)生恒定不變的磁場，這樣就省去了勵磁損耗，因此三相永磁同步發(fā)電機比常規(guī)發(fā)電機明顯節(jié)約能量；其效率能提高1015%，是一種典型節(jié)能產(chǎn)品。3 電壓波形質(zhì)量好，適用于各種負載情況 由于采用機電一體化技術(shù)，發(fā)電機在各種不同負載（包括感性和容性負載）情況下都可以使電壓波形畸變率保持在較小的范圍。4 過載能力強，適合于在各種惡劣環(huán)境下工作5 無電刷，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用壽命長 無電刷和滑環(huán)，同時轉(zhuǎn)子上既無線圈，也無電子元器件，轉(zhuǎn)子上的永磁體和鐵心固成一個剛性整體，結(jié)構(gòu)非常簡單，其可靠性和使用壽命都遠優(yōu)于常規(guī)的電勵磁發(fā)電機。 永磁同步發(fā)電機的發(fā)展方向和前景永磁同步發(fā)電機有別于傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機，其最主要的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子采用永磁材料來產(chǎn)生磁場；其次永磁同步發(fā)電機與不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡單，減少了故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150kVA 14極12000 r/min~21000r/min和100kVA6000 r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3KW 20000r/min的永磁發(fā)電機。永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機，80年代我國研制成功當時世界容量最大的40 kVA~160KVA稀土永磁副勵磁機，配備200MW~600MW汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。 從永磁電機的已有發(fā)展可以看出其發(fā)展是隨著永磁材料性能的不斷改進而發(fā)展起來。目前，獨立電源用的內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅(qū)動的永磁風力發(fā)電機正在逐步推廣。隨著現(xiàn)代的電力電子技術(shù)的不斷成熟和機電一體化設(shè)備的廣泛運用，永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁場不可調(diào)節(jié)性以及其他相關(guān)不理想因素也將不斷改善，其將會隨著永磁材料和電力電子技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展向著大功率化、微型化、多樣化、高性能化等方向發(fā)展。第2章 永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)和原理 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于其轉(zhuǎn)子磁場由永磁材料產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣化。永磁發(fā)電機的磁路形式多樣，有許多不同的分類方法。1） 按永磁體所在位置分類，可分為旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，其永磁體在轉(zhuǎn)子上，電樞是靜止的，永磁同步電動機，無刷直流電動機都采用該種結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)電樞式磁路結(jié)構(gòu)，其永磁體在定子上，電樞旋轉(zhuǎn)，永磁直流電機采用該種磁路結(jié)構(gòu)。2） 按所用材料分類，可分為單一式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)。在一臺電機中，只采用一種永磁材料，稱為單一式結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)電機都采用該種結(jié)構(gòu)?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)通常采用兩種性能特點不同的永磁體（將矯頑力低的永磁體置于磁極的前部，將矯頑力高的永磁體置于磁極后部），揚長避短，充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)勢，提高電機的性能，降低制造成本。3） 按永磁體的安置方式分類，可分為表面式和內(nèi)置式。表面式磁極的永磁體直接面對空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點，但永磁體直接承受點電樞反應的去磁作用。內(nèi)置式磁極的永磁體置于鐵心內(nèi)部，加工和安裝工藝復雜，漏磁大，但可以放置較多的永磁體來提高氣隙磁密，減小電機的重量和體積。4） 按永磁體的形狀分類，進行永磁體設(shè)計時必須保證永磁體在磁路中產(chǎn)生足夠的磁通和磁動勢，可分為瓦片形、極弧形、環(huán)形、爪極形、星形、矩形磁極。5） 按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、徑向式、混合式和軸向式。 定子結(jié)構(gòu) 定子鐵心是構(gòu)成永磁電機磁通回路和固定定子線圈的重要部件，它由沖片和三相對稱繞組以及各緊固件壓緊成一個整體。定子鐵心的基本要求：1）導磁性能好，損耗低；2）剛度好，振動小；3）結(jié)構(gòu)布置上有良好的通風冷卻效果；4）疊壓后鐵心內(nèi)徑和槽型尺寸應滿足設(shè)計精度要求。定子繞組的基本要求：1） 在一定的導體數(shù)下，有合理的最大的基波電動勢和基波磁動勢；2） 在三相繞組中，三相基波電動勢和三相基波磁動勢必須對稱，即大小相等，相位上互差120度電角度，并且三相的阻抗也要求相等；3） 相電動勢和相磁動勢波形力求接近正弦波，為此要求它們的諧波分量盡可能小；此外還要求用銅少，絕緣性能和機械強度可靠，散熱條件好，制造工藝簡單，檢修方便。定子交流繞組主要有以下幾種分類形式：1） 按相數(shù)分為單相，兩相和三相繞組；2） 按槽內(nèi)層數(shù)分為單層、雙層繞組，其中單層有等元件、交叉式和同心繞組，雙層繞組有波繞組和疊繞組，它們一般采用短距分布繞組形式；3） 按每極每相槽數(shù)分為整數(shù)槽繞組和分數(shù)槽繞組。 工作原理 永磁同步發(fā)電機主要電磁結(jié)構(gòu)為定子和轉(zhuǎn)子，定∕轉(zhuǎn)子之間有氣隙。定子上有AX,BY,CZ三相對稱繞組，相繞組由多匝串聯(lián)的繞組元件連接而成，每相繞組匝數(shù)相等，在空間上相差120度電角度。轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生機械磁場，其磁通由轉(zhuǎn)子N極出來，經(jīng)過氣隙，定子鐵心，氣隙進入S極而構(gòu)成回路。在原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n（同步轉(zhuǎn)速）旋轉(zhuǎn)時，磁極的磁力線將切割定子繞組導體，在定子導體中感應出交變電勢，當定子三相繞組外接三相對稱負載時，便會在三相繞組中感生出三相對稱電流，從而實現(xiàn)將機械能轉(zhuǎn)化為電能。當轉(zhuǎn)子為一對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，相繞組中的感應電勢正好交變一次（稱為交變了一個周波），實際電機有P對極。永磁同步電機和電勵磁同步電機一樣，電機轉(zhuǎn)速和定子電流的頻率嚴格遵守n=60f∕P的關(guān)系。 運行特性永磁同步發(fā)電機的運行性能的主要三個重要性能指標：固有電壓調(diào)整率、短路電流倍數(shù)、電壓波形正弦性畸變率。1） 固有電壓調(diào)整率永磁發(fā)電機在空載運行時，空載氣隙基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生勵磁電動勢E0（V）；在負載運行時，氣隙合稱基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生氣隙合成電動勢Eδ（V），計算公式為： （21） （22）空載氣隙磁通和氣隙合成磁通需要根據(jù)所選用的永磁材料性能，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸，運用電磁場數(shù)值解法求出或用等效磁路法求出。對于切向、徑向、混合式結(jié)構(gòu)，可以將永磁材料等效地化為兩個恒磁通源并聯(lián)供應同一條外磁路的等效磁路。2） 短路電流倍數(shù)永磁同步發(fā)電機的短路狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)短路和瞬態(tài)（沖擊）短路兩種。瞬態(tài)短路電流通常大于穩(wěn)態(tài)短路電流，但計算比較復雜，工程中通常先求出穩(wěn)態(tài)短路電流，然后利用經(jīng)驗修正系數(shù)得出瞬態(tài)短路電流倍數(shù)。短路電流對永磁體去磁作用的大小，除與短路電流倍數(shù)有關(guān)外，還取決于轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式和空載漏磁系數(shù)的大小。對于軟鐵極靴，極間澆鑄非磁性材料，轉(zhuǎn)子上安裝阻尼籠等有阻尼系統(tǒng)的磁路結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)短路電流對永磁體的去磁作用大大減弱，并接近于穩(wěn)態(tài)。短路電流的作用，對于無極靴的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，由于永磁體的電阻率很大，幾乎沒有阻尼作用，固瞬態(tài)短路電流的去磁作用很大。為了避免永磁體在發(fā)電機短路過程中發(fā)生不可逆的退磁，在設(shè)計過程中進行最大去磁工作點的校核計算，應保證此工作點在最高工作溫度時回復線的線性段應高于或者等于回復線的拐點。3）電壓波形正弦性畸變率在永磁同步發(fā)電機負載運行中，負載對發(fā)電機所發(fā)出的電動勢波形有嚴格的要求，實際電動勢（通常指空載線電壓）波形與正弦波形之間的偏差程度用電壓波形正弦性畸變率來表示。在國家標準規(guī)定中，電壓波形正弦性畸變率是指電壓波形中不包括基波在