稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要超高速發(fā)電機(jī)一般是指轉(zhuǎn)速超過10000轉(zhuǎn)/分的發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)跟感應(yīng)式發(fā)電機(jī)相比較，采用永磁體勵(lì)磁，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，可以顯著提高功率因素，減小勵(lì)磁繞組的損耗。而且由于稀土永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為新一代航空、航天、航海用電機(jī)的重要發(fā)展方向。尤其是近年來，隨著新型永磁材料的不斷涌現(xiàn)和永磁材料性能的提高，永磁同步發(fā)電機(jī)的研究越來越受到人們的關(guān)注。 本文首先從永磁發(fā)電機(jī)的基本原理著手，系統(tǒng)地分析其設(shè)計(jì)的各種理論和計(jì)算。重點(diǎn)闡述了定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)性能及損耗等，尤其是對此發(fā)電機(jī)工作的高溫、高轉(zhuǎn)速的特殊環(huán)境進(jìn)行了研究，此外，還對永磁體的估算進(jìn)

2、行了說明。然后利用已有的計(jì)算公式，設(shè)計(jì)出滿足要求的徑向式永磁同步發(fā)電機(jī)，完成幾組徑向式永磁發(fā)電機(jī)的算例，對其中改動部分所引起的性能變化進(jìn)行分析，指出其優(yōu)、缺點(diǎn)，并確定出最佳方案。取其數(shù)據(jù)使用有限元分析軟件ANSOFT對數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真并把結(jié)果跟計(jì)算結(jié)果對比做分析。最后，再對已有電機(jī)的實(shí)體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對照，作出結(jié)論。關(guān)鍵詞永磁同步發(fā)電機(jī) 超高速 ANSOFT；AbstractGenerally, Exceedable high-speed generators always have a speed over 10000rpm, it is advantage comparisons betw

3、een permanent synchronous generators and induction generators that it doesnt need reduce exciting winding loss.The permanent generators have the merit with little weight high efficientyand good characteristic and so on,so the permanent generators are wildly used in the new generation of aviation ,sp

4、aceflight and navigation.The study of permanent generators are attached by the people with the development of permanent magnet materially specially in several recent years. The principle of generators is introduced at first in article.Second,its analyzed that all kinds of theory and calculation invo

5、lved in the article expounds the stator and rotor constuction,steady state function and loss.The generators are especially studied and thought in the conditions of high temperature and high rotate speed.Furthermore the permanent magnet estimating is shown.After that desiging radial generators use th

6、e excited formula.Then use the software “ANSOFT” to develop the generators performance.It elects finish several calcution data and analyze the functions change with the data changing and pointto advantage and shortcoming.At last,it elects the best scheme to design the generator and draw a conclusion

7、.Keywordspermanent synchronous generator high rotate speed ANSOFT；不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印- II -哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 概述11.2 永磁電機(jī)的發(fā)展21.2.1 永磁材料的發(fā)展近況21.2.2 周邊技術(shù)的發(fā)展31.2.3 永磁電機(jī)的最新發(fā)展動向31.3 永磁發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)及運(yùn)用41.4 畢業(yè)論文主要內(nèi)容6第2章 永磁發(fā)電機(jī)的基本知識72.1 概述72.2 稀土永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)72.2.1 稀土永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)72.2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選取102.3

8、稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的性能、參數(shù)和特性112.3.1 電抗參數(shù)和矢量圖112.3.2 外特性和電壓調(diào)整率132.3.3 短路特性132.3.4 功角特性142.3.5 損耗與效率15第3章 稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)163.1 電磁設(shè)計(jì)163.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇163.1.2 發(fā)電機(jī)大體尺寸和稀土永磁體的確定173.2 轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)計(jì)算213.2.1 基本概念213.2.2 徑向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)計(jì)算22第4章 電機(jī)計(jì)算與磁場分析244.1 計(jì)算程序及算例244.2 方案對比344.2.1 改變長徑比的影響；344.2.2 改變極弧系數(shù)的影響；364.2.3 改變氣隙長度的影響；384.3 仿真分析4

9、14.3.1 仿真模型的建立414.3.2 ANSOFT的磁場仿真424.3.3 氣隙磁密波形仿真43結(jié)論47致謝48參考文獻(xiàn)49附錄150附錄260千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- IV -哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 概述永磁電機(jī)的發(fā)展歷史最長，1821年出現(xiàn)的世界上第一臺電機(jī)就是永磁電機(jī)，但當(dāng)時(shí)所用永磁體的磁能積很低，制成的電機(jī)體積龐大而容量很小，不久被電勵(lì)電機(jī)所取代。但是永磁電機(jī)在近20年來，無論是在電機(jī)容量上，還是在性能以及新品種的開發(fā)方面都有新的

10、突破。稀土永磁電機(jī)是70年代初期出現(xiàn)的新型永磁電機(jī)，由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力（特別是高內(nèi)稟矯頑力），使得稀土永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為新一代航空、航天、航海用電機(jī)的重要發(fā)展方向。永磁材料最近十年發(fā)展很快，尤其是1983年第三代稀土永磁體銣鐵硼（NdFeB）的出現(xiàn)，其優(yōu)越的磁性能和相對較低的價(jià)格，展示出稀土永磁體電機(jī)民用開發(fā)的廣闊前景，現(xiàn)在稀土永磁電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應(yīng)用。稀土永磁同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中,由于取消了全套轉(zhuǎn)子繞線,使其能有效地消除在運(yùn)行過程中由勵(lì)磁繞組引起的銅耗,降低發(fā)電機(jī)工作升溫,提高發(fā)電機(jī)工作效率。稀土永磁同步發(fā)電

11、機(jī)具有高效、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等特點(diǎn)。與同重量的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比,其單位重量發(fā)電機(jī)輸出功率可增加40%以上。而其良好的負(fù)載性能,不論是“電感性、電容性負(fù)載,還是電阻性負(fù)載”,其電壓波形與空載基本一致,幾乎無失真,克服了電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后波形會產(chǎn)生畸變的不足。采用稀土永磁材料以后還可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值。這些都可以縮小電機(jī)體積，減輕重量，提高功率質(zhì)量比。因而現(xiàn)代航空、航天用電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。1.2 永磁電機(jī)的發(fā)展1.2.1 永磁材料的發(fā)展近況 永磁電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的研究密切相關(guān)。1983年,日本住友公司推出第3代高能NdFeB稀土永磁后,各國競相研制,

12、發(fā)展很快。原先采用其它永磁材料的電機(jī)幾乎都可以采用這種新型稀土永磁進(jìn)行重新設(shè)計(jì),以求得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。最早的商用永磁材料是燒結(jié)A1NiCo合金和澆注A1NiCo合金,現(xiàn)在這種材料的使用量已經(jīng)逐漸減少。這種材料最大的缺點(diǎn)是矯頑磁力Hc較低,因此很容易受到外部磁場作用而退磁。燒結(jié)鐵氧體永磁材料其最大磁能積(BH)max可達(dá)5.4MGOe,出現(xiàn)在50年代,是目前永磁材料中用量最大,產(chǎn)值最高,價(jià)格最低的產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉、耐腐蝕、磁化能力強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性好(使用溫度高達(dá)250),由于鐵氧體是一種絕緣材料,所以這種材料制成的電機(jī)中,由交變磁場引起的轉(zhuǎn)子鐵損并不大。60年代出現(xiàn)了釤鈷系列的稀土永磁材料。

13、第一代稀土永磁即以SmCo5為代表,(BH)max可達(dá)20MGOe,隨后又出現(xiàn)了以Sm2Co17為代表的第2代稀土永磁材料,(BH)max可達(dá)25MGOe以上。其優(yōu)點(diǎn)是使用溫度高(可在250以上),耐腐蝕性強(qiáng),強(qiáng)于NdFeB。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且機(jī)械強(qiáng)度高,容易碎裂。燒結(jié)NdFeB是目前磁性最強(qiáng)的永磁材料,(BH)max理論值可高達(dá)64MGOe,(BH)max為40MGOe的產(chǎn)品已正式投入生產(chǎn)。它是當(dāng)前發(fā)展最快、市場前景最好的永磁材料。燒結(jié)NdFeB的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度適中,矯頑力很高,但其價(jià)格較低,是釤鈷類永磁的1/41/3,這也是它得到快速發(fā)展的原因。除上述優(yōu)點(diǎn)之外,NdFeB永磁也有其弱點(diǎn):居里

14、點(diǎn)低、溫度穩(wěn)定性差,在高溫運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生不可逆退磁,而且由于這種合金中含有鐵元素,所以較易生銹,耐腐蝕性差。這些弱點(diǎn)影響和限制了其使用范圍,所以在高溫、多濕、輻射線等特殊環(huán)境下,最好使用釤鈷磁鐵。因此改善NdFeB永磁的熱穩(wěn)定性和提高其防氧化能力成為這種永磁材料現(xiàn)期研究的主要內(nèi)容。除了燒結(jié)NdFeB之外,90年代發(fā)展較快的還有粘結(jié)NdFeB,它的發(fā)展勢頭已超過了前者。雖然粘結(jié)NdFeB的最大磁能積只有前者的三分之一,但其機(jī)械性能好,密度小,能制成壁薄、形狀復(fù)雜、尺寸精度高的產(chǎn)品。我國稀土永磁的開發(fā)和應(yīng)用始于70年代,目前在粘結(jié)稀土永磁的研究上同國外還存在一些差距,主要表現(xiàn)在:批量生產(chǎn)的磁性偏低

15、,粘結(jié)NdFeB的(僅為810MGOe)磁體使用溫度偏低,未開發(fā)出各向異性的粘結(jié)磁體,應(yīng)用設(shè)計(jì)與研究開展較少。1.2.2 周邊技術(shù)的發(fā)展 充磁技術(shù)的發(fā)展由于大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，使得大電流脈沖充磁技術(shù)獲得長足的進(jìn)步。這種高矯頑力材料容易被充分磁化。 裝配技術(shù) 由于高矯頑力材料NdFeB永磁材料的單塊磁體在開路狀態(tài)下不容易失磁，于是在制造、裝配時(shí)容易處理。 解析技術(shù) 在永磁電機(jī)磁路設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用FEM和模糊優(yōu)化技術(shù)，可以進(jìn)一步精確計(jì)算漏磁和參數(shù)，從而獲得最佳永磁磁路設(shè)計(jì)。 控制技術(shù)先進(jìn)的控制理論及矢量控制技術(shù)加上大功率多功能模塊（IGBT,IPM）的出現(xiàn)，使得永磁電機(jī)的新品種不斷涌現(xiàn)，從而更

16、加拓寬了永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。1.2.3 永磁電機(jī)的最新發(fā)展動向 大功率，高轉(zhuǎn)速 由于耐高溫，高矯頑力的新型永磁材料不斷出現(xiàn)，使得永磁電機(jī)不怕退磁，再加上具有高速開關(guān)速度的功率元件IGBT的實(shí)用化，從而變速驅(qū)動電源可以實(shí)現(xiàn)大容量化。這種電機(jī)多為軸向氣隙，圓盤結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子由多段組成。目前這種電機(jī)可以做到數(shù)百千瓦，轉(zhuǎn)速為10000-30000r/min 大轉(zhuǎn)矩，低轉(zhuǎn)速 如德國西門子公司研制的船用推進(jìn)器無刷永磁直流電動機(jī)，磁極采用釤鈷永磁體，其容量為1095KW，轉(zhuǎn)速230r/min,額定轉(zhuǎn)矩為45KNm,比普通直流電動機(jī)的體積減小60%左右 耐高溫永磁同步電機(jī)這種電機(jī)在200-300高溫環(huán)境下工作

17、，永磁體采用耐高溫的釤鈷永磁材料（Sm2Cos），電機(jī)繞組采用陶瓷或者玻璃纖維進(jìn)行絕緣處理，軸承采用陶瓷軸承，并采用固體潤滑脂，這種電機(jī)用在宇宙航空機(jī)械中。 電動汽車電機(jī) 為了解決能源危機(jī)和大氣污染問題，目前世界上都在研究開發(fā)電動汽車，日本東芝公司開發(fā)的電動汽車不僅可以替代內(nèi)燃機(jī)電動機(jī)，還可以兼做發(fā)電機(jī)，該電機(jī)額定容量6.8KW，轉(zhuǎn)速為1283r/min，最大容量為25KW。另外還有一些別的發(fā)展方向例如超微型電機(jī)，機(jī)電一體化電機(jī)，智能電機(jī)，磁力耦合器等等，因其不常見，所以就不細(xì)述了。我國的永磁電機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用始于70年代，現(xiàn)在與國外先進(jìn)水品相比有一定的差距。我國稀土資源豐富，產(chǎn)量居世界首位，其

18、產(chǎn)量的2/3用于出口，國內(nèi)銷售的1/3中用于電機(jī)的比例很低，但是相信隨著我國磁性材料工業(yè)的發(fā)展、工業(yè)自動化程度的提高，永磁電機(jī)還具有大量需求的潛力，市場極其廣闊。1.3 永磁發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)及運(yùn)用稀土永磁同步電機(jī)的工作原理與電磁式和普通永磁式直流電機(jī)并無不同。但是由于采用了高性能的稀土永磁材料，所以具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.實(shí)心轉(zhuǎn)子適應(yīng)高速運(yùn)行，具有很高的功率密度稀土永磁發(fā)電機(jī)由高能積稀土永磁體勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子直徑可以做得很小。而卻外設(shè)緊圈，類似于一臺實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)，極適應(yīng)于高速運(yùn)行，所以這一類電機(jī)的功率密度很高。美國西屋公司制成的一臺100KW的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r/min,重量僅有

19、40.8KG，直徑為20cm,長度為39cm,功率密度達(dá)到2.45kw/kg。 2.高效率稀土永磁發(fā)電機(jī)的高效率是由于轉(zhuǎn)子不設(shè)勵(lì)磁繞組，沒有勵(lì)磁損耗和電刷環(huán)間的摩擦，接觸損耗。另外，在設(shè)置緊圈的情況下，表面光滑，風(fēng)阻小，與凸極式交流同步發(fā)電機(jī)相比，同等功率下的永磁發(fā)電機(jī)的總損耗大約要小1015。美國通用電氣公司研制的一臺150KW，切向磁化結(jié)構(gòu)的稀土永磁航空起動/發(fā)電機(jī)，在12000r/min狀態(tài)下滿載運(yùn)行時(shí)，效率達(dá)到94（功率因數(shù)為0.95）而在21000r/min下滿載運(yùn)行時(shí)效率仍可以保持在89.2。稀土永磁發(fā)電機(jī)不僅效率高，而且其高效率段比較寬。在負(fù)載變化范圍比較大時(shí)仍能保持較高的效率，

20、這是因?yàn)槌Ｒ?guī)繞線式同步發(fā)電機(jī)當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，阻抗電壓和電樞反應(yīng)的影響大，端電壓下降得厲害。為了保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定，智能增加勵(lì)磁電流來提高氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣就使得鐵損耗和勵(lì)磁銅耗明顯增大，而稀土永磁發(fā)電機(jī)由于稀土永磁體高內(nèi)稟矯頑力的特點(diǎn)，使得電樞反應(yīng)的影響很小，負(fù)載變化時(shí)，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度變化很小，鐵耗便可以作為一個(gè)不變參數(shù)來看。 3.高可靠性 稀土永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，軸上也不需要安裝滑環(huán)。因?yàn)闆]有繞線轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)上存在的勵(lì)磁短路、斷路、絕緣損壞、電刷滑環(huán)接觸不良等一系列故障因數(shù)。另外，也正是由于永磁體勵(lì)磁，使稀土永磁發(fā)電機(jī)的零件數(shù)目也少于一般繞線轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)。美國通用公司150kw稀

21、土用的發(fā)電機(jī)的總零部件數(shù)為87件，而若采用繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則需要117件零部件。另外，稀土永磁材料的矯頑力高，剩磁大，因而可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，大大地縮小了永磁轉(zhuǎn)子外徑，從而減小轉(zhuǎn)子地轉(zhuǎn)動慣量，降低時(shí)間常數(shù)，改善電機(jī)地動態(tài)性能。同時(shí)，在保持一定氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的條件下，氣隙寬度可以選取較大值，這樣可以減小由于齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的力矩波動，也可以抑制電樞反應(yīng)對力矩波動的影響。還有，稀土永磁材料的去磁曲線是線性、可逆的，該特性給稀土永磁電機(jī)的工作點(diǎn)計(jì)算帶來方便，簡化了磁路設(shè)計(jì)和磁場分析。 除此之外，稀土永磁發(fā)電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適合于惡劣環(huán)境下工作、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)然，除了上述優(yōu)點(diǎn)，稀土永磁發(fā)

22、電機(jī)也存在明顯的缺點(diǎn)： 第一、由于稀土永磁體的高內(nèi)稟矯頑力，使得其磁場無法調(diào)節(jié)，所以當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化的時(shí)候，這類發(fā)電機(jī)保持恒壓是比較困難的； 第二、繞線轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)一旦發(fā)生故障時(shí)，可以保證在30ms內(nèi)把勵(lì)磁切斷，而稀土永磁發(fā)電機(jī)沒有這種能力。在飛機(jī)上，稀土永磁發(fā)電機(jī)一旦短路，必須有一套靈巧的電動斷開裝置來保證于發(fā)電機(jī)脫扣。但是這套裝置需要30多個(gè)比較復(fù)雜而且高精度的零件來組成，特別是對大容量航空稀土永磁發(fā)電機(jī)，保證在30ms內(nèi)發(fā)電機(jī)脫扣，困難較大； 第三、由于稀土永磁材料的制造工藝落后，好的材料價(jià)格較高，所以稀土永磁發(fā)電機(jī)造價(jià)較高。永磁同步發(fā)電機(jī)由于具有上述特點(diǎn)，廣泛地運(yùn)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈體統(tǒng)內(nèi)，通常

23、是利用排泄燃?xì)鈦磉M(jìn)行發(fā)電，再對機(jī)體進(jìn)行供電。不但節(jié)省了能源 ，而且減少了飛機(jī)導(dǎo)彈的重量，從而保證了飛機(jī)導(dǎo)彈的精密度。另外，永磁同步發(fā)電機(jī)由于其高效率和高可靠性，在汽車、制造等多個(gè)行業(yè)也得到巨大的利用。1.4 畢業(yè)論文主要內(nèi)容本論文是對工作在特定條件下（導(dǎo)彈、火箭推進(jìn)器上使用，工作溫度250，轉(zhuǎn)速100000r/min,短時(shí)工作3-5min）的永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究。首先從永磁發(fā)電機(jī)的基本原理著手，系統(tǒng)地分析其設(shè)計(jì)的各種理論和計(jì)算。重點(diǎn)闡述了定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)性能及損耗等，尤其是對此發(fā)電機(jī)工作的高溫、高轉(zhuǎn)速的特殊環(huán)境進(jìn)行了研究，此外，還對永磁體的估算進(jìn)行了說明。然后利用已有的計(jì)算公式，初步完成

24、幾組徑向式永磁發(fā)電機(jī)的算例，對其中改動部分所引起的性能變化進(jìn)行分析，指出其優(yōu)、缺點(diǎn)，并確定出最佳方案。取其數(shù)據(jù)使用有限元分析軟件ANSOFT對數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真并把結(jié)果跟計(jì)算結(jié)果對比。最后，對已有電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，作出結(jié)論。第2章 永磁發(fā)電機(jī)的基本知識根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，永磁電動機(jī)都可以作為永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行。但是由于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)兩種運(yùn)行狀態(tài)下對電機(jī)的性能要求不同，它們的磁路結(jié)構(gòu)、參數(shù)分析和運(yùn)行性能計(jì)算既有相似之處，又有許多特點(diǎn)。2.1 概述 永磁發(fā)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，由于省去了勵(lì)磁繞組和容易出現(xiàn)問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)比較簡單，加工和裝配費(fèi)用比較少，運(yùn)行更為可靠。采用稀土永磁后可以增大氣隙磁密

25、，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提到到最佳值，從而顯著得縮小電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比；由于省去了勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率得以提高；處于直軸磁路中得永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小得多，因而固有電壓調(diào)整率也比電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小。 永磁發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是：制成后難以調(diào)節(jié)磁場以控制其輸出電壓和功率因數(shù)；由于永磁材料和加工工藝的分散性，導(dǎo)致電機(jī)的輸出電壓分散，偏離額定電壓；采用稀土永磁后，目前價(jià)格仍較貴。隨著電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高，目前正逐步采用可控整流器和變頻器來調(diào)節(jié)電壓，上述缺點(diǎn)可以得以彌補(bǔ)。永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，功率大的如航空，航天用主發(fā)電機(jī)、大型火電站用副勵(lì)磁機(jī)，功率小的如電動汽車、

26、拖拉機(jī)用發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、小型水力發(fā)電機(jī)、小型內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組等都廣泛使用各種類型的永磁發(fā)電機(jī)。2.2 稀土永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)2.2.1 稀土永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由于稀土永磁體的高矯頑力（特別是高內(nèi)稟矯頑力），使其磁化方向的厚度一般都比較小，永磁體做得很薄。常見的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種：徑向磁化結(jié)構(gòu)、切向磁化結(jié)構(gòu)及軸向磁化結(jié)構(gòu)（圖2-1）。另外還有比較少見的星形轉(zhuǎn)子、圓柱形轉(zhuǎn)子，爪極形轉(zhuǎn)子等等。 圖2-1 三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，常以徑向磁化結(jié)構(gòu)和切向磁化結(jié)構(gòu)為多。下面簡要說明這三種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。 激磁磁勢和磁通。徑向磁化結(jié)構(gòu)中的稀土永磁體工作于串連狀態(tài)，每塊永磁體的面積提供發(fā)電

27、機(jī)每極氣隙磁通，每塊永磁體的磁勢提供發(fā)電機(jī)的一個(gè)極的磁勢。在徑向磁化結(jié)構(gòu)中，永磁體直接面對氣隙，由于稀土永磁優(yōu)越的定向性，所以這種結(jié)構(gòu)中氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度B接近永磁體工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BM，若不計(jì)漏磁，其等效結(jié)構(gòu)如圖2-2（a）所示。切向磁化結(jié)構(gòu)中，永磁體呈并聯(lián)狀態(tài)工作，由兩塊稀土永磁體提供發(fā)電機(jī)的每極磁通；每塊稀土永磁體的磁勢提供每對極磁勢，若不計(jì)漏磁，其等效磁路如圖2-2（b）所示。很明顯，這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一種簡單的聚磁結(jié)構(gòu)，所以能夠提高發(fā)電機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，往往可以做到B> BM。漏磁。由于稀土永磁體具有很強(qiáng)的定向性，對于徑向磁化結(jié)構(gòu)來說，磁體面對氣隙，漏磁通較小，漏磁系數(shù)可做到1

28、.05-1.12。然而在切向結(jié)構(gòu)中，由于稀土永磁體磁化方向與氣隙長度方向（徑向）相垂直，而且永磁體極面離氣隙較遠(yuǎn)，加上永磁體底面經(jīng)非磁性軛部的漏磁，使其轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)與氣隙磁導(dǎo)相比較不能忽略，漏磁系數(shù)增大，一般在1.2-1.35之間，這就減小了有效磁通的比例。從工藝上看來，徑向結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)勢，因?yàn)檫@時(shí)磁軛是一個(gè)整塊導(dǎo)磁體，工藝實(shí)現(xiàn)比較方便；而切向結(jié)構(gòu)需在磁極和轉(zhuǎn)軸之間安裝非磁性軛，使轉(zhuǎn)子成為積木式結(jié)構(gòu)，加工的零件多，裝配也比較困難，這種轉(zhuǎn)子的加工程序?yàn)榇跑椞着c非導(dǎo)磁套焊接開槽安放永磁體壓緊圈，如圖2-3所示。 圖2-2 等效磁路圖 圖2-3 切向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子加工(a) 徑向結(jié)構(gòu)； (b)切向結(jié)構(gòu)；

29、緊圈。由于稀土永磁體質(zhì)硬而脆，其抗拉強(qiáng)度低，當(dāng)發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為保護(hù)稀土永磁體免受離心力的作用而損壞，一般都需要在其轉(zhuǎn)子表面加一個(gè)緊圈。緊圈能保證其在發(fā)電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使被其包容部分始終處于受壓狀態(tài)，這時(shí)轉(zhuǎn)子類似于實(shí)心結(jié)構(gòu)。緊圈可分為雙金屬緊圈和單一非導(dǎo)磁緊圈兩種。雙金屬圈由磁性金屬材料交替焊接而成。磁性材料段對準(zhǔn)永磁體（圖2-1(a)中剖面部分），這樣使緊圈安置不增加發(fā)電機(jī)氣隙長度，其缺點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)和工藝都比較單一非導(dǎo)磁圈（圖2-1(b)）復(fù)雜，制造比較困難。對兩種金屬材料要求其機(jī)械強(qiáng)度及熱膨脹系數(shù)盡可能地匹配，且要求電阻率高。緊圈的焊接采用電子束或激光焊較好，焊區(qū)窄、受熱范圍小、焊

30、縫強(qiáng)度高。單一非導(dǎo)磁緊圈的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；缺點(diǎn)是緊圈本身增加了等效氣隙長度，從而影響電機(jī)性能，增大永磁體用量，但對減小轉(zhuǎn)子表面損耗是有利的。緊圈的應(yīng)力可用下式計(jì)算： (21)式中 最高轉(zhuǎn)速下緊圈本身產(chǎn)生的應(yīng)力；緊圈內(nèi)半徑；緊圈厚度；被包容部分作用于緊圈的壓力。對切向磁化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的小功率或者中、低轉(zhuǎn)速的稀土永磁發(fā)電機(jī)，也可以不用緊圈而采用槽楔式結(jié)構(gòu)。爪極式轉(zhuǎn)子如圖2-1(c)所示，其稀土永磁體為圓環(huán)形，是一種軸向結(jié)構(gòu)，磁通走向?yàn)橛来朋wN一個(gè)爪極氣隙定子氣隙另一爪極永磁體S，從而在爪極圓柱表面上形成N，S相間的極性。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，就在定子電樞繞組中感應(yīng)出交變電勢。稀土永磁體由于矯頑力較高

31、，故圓環(huán)形永磁體做得薄，為保證磁路的軸向長度，需用磁軛襯墊。爪極結(jié)構(gòu)容易做成多極，使用結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故電機(jī)功率密度較低。另外，爪極抗離心力的能力差，故一般不適合高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)電機(jī)。2.2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選取在實(shí)際應(yīng)用中選用何種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境而定。一般說，多極、高速、大容量的稀土永磁發(fā)電機(jī)，以切向磁化結(jié)構(gòu)居多；而對于小容量、極數(shù)較少的場合，則以徑向磁化結(jié)構(gòu)較合適。因?yàn)椴煌霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)常常帶來稀土永磁發(fā)電機(jī)某些性能上的差異和不同的造價(jià)，所以在選擇稀土永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)該認(rèn)真分析應(yīng)用環(huán)境、性能要求、制造價(jià)格、體積重量等多種因素。結(jié)合國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例，綜合有關(guān)資料，再說明以

32、下幾點(diǎn)：稀土永磁發(fā)電機(jī)的單位體積輸出大致上與氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，從這個(gè)意義上說，切向磁化結(jié)構(gòu)的稀土永磁電機(jī)優(yōu)于徑向磁化結(jié)構(gòu)。但應(yīng)該考慮到，由于切向磁化結(jié)構(gòu)的漏磁比較大，單位體積的輸出有所下降，漏磁還影響到氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，也使得輸出減小先后。美國本迪克斯公司曾先后研制多種稀土永磁航空同步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑為3.8-7.6cm，額定轉(zhuǎn)速為1500-6000r/min,極對數(shù)為4-10，最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為18000-72000r/min，套環(huán)應(yīng)力達(dá)到4962-9287kg/cm²。分析結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速范圍寬、大氣隙、大轉(zhuǎn)子直徑的情況下，徑向結(jié)構(gòu)可提供較大的輸出；但是，對于恒定轉(zhuǎn)速或者速度

33、范圍變換較小的稀土永磁發(fā)電機(jī)，則切向結(jié)構(gòu)能給出較大的輸出。對大功率發(fā)電機(jī)，切向結(jié)構(gòu)較多。而對大功率發(fā)電機(jī)或者高轉(zhuǎn)速稀土用的發(fā)電機(jī)，多采用雙金屬緊圈。2.3 稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的性能、參數(shù)和特性稀土永磁同步發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)之間的主要區(qū)別在于電機(jī)勵(lì)磁回路中有稀土永磁體存在。永磁體在永磁電機(jī)中主要有以下兩個(gè)作用。第一，作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁源。用稀土永磁體勵(lì)磁，使得它對外磁路提供的磁勢和磁通可隨著外磁路的磁導(dǎo)和電樞反應(yīng)磁勢在小范圍內(nèi)變化，并可由此引起漏磁通的變化，從而影響電樞繞組的感應(yīng)電勢。第二，構(gòu)成較大繞組的磁路段。由于稀土永磁體的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相接近，在電機(jī)磁路中對直軸電樞反應(yīng)磁勢來說是一個(gè)很

34、大的磁阻，因此，電樞反應(yīng)磁場被削弱，并且除通過永磁體外，還有相當(dāng)一部分不得不沿著漏磁路徑閉合。這就決定了稀土永磁電機(jī)直軸電樞反應(yīng)電抗比電勵(lì)磁電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗小。由于稀土永磁材料磁性能很高，而且磁導(dǎo)率又很小，這就使上兩個(gè)特點(diǎn)更加突出，從而使得稀土永磁同步在性能、參數(shù)、特性、電壓調(diào)節(jié)及電磁設(shè)計(jì)方法等方面出現(xiàn)了不少特點(diǎn)。2.3.1 電抗參數(shù)和矢量圖電抗參數(shù)對同步發(fā)電機(jī)的性能和特性影響很大。電抗之間有如下關(guān)系： (22)式中 Xad直軸電樞反應(yīng)感抗； Xaq交軸電樞反應(yīng)電抗； Xd直軸同步電抗； Xq交軸同步電抗； Xa漏抗。直軸電樞反應(yīng)電抗是指單位直軸電流在直軸磁路產(chǎn)生的交變磁鏈在電樞繞組中感

35、應(yīng)電勢的大小。其他電抗的物理意義與其類似。從電抗的物理意義出發(fā)，根據(jù)稀土永磁發(fā)電機(jī)的磁爐特點(diǎn)，其電抗參數(shù)與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)有兩點(diǎn)重要區(qū)別。由于稀土永磁體的磁導(dǎo)率低，且它又是磁路的一部分，所以稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗Xad、Xaq比電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的小。對電勵(lì)磁凸極同步發(fā)電機(jī)，一般有Xad >Xaq，這是因?yàn)橹陛S磁路磁導(dǎo)總是大于交軸磁路磁導(dǎo)。從對稀土永磁發(fā)電機(jī)分析可知，對于徑向磁化結(jié)構(gòu)的電機(jī)，直軸磁路磁導(dǎo)和交軸磁路磁導(dǎo)近似相等，即Xad Xaq，而對切向磁化結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，其直軸磁導(dǎo)小于交軸磁導(dǎo)，因此Xad Xaq。根據(jù)電抗參數(shù)可以畫出稀土永磁同步發(fā)電機(jī)不飽和矢量如圖24所示。它的基本規(guī)

36、律與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相同，但由于Xad 小于或接近等于Xaq，所以Id Xad /Iq Xaq (Id為直軸電流，Iq為交軸電流)將小于電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。圖2-4 不飽和矢量圖其電勢平衡方程式為： (23)式中 相電勢； 相電壓； 相電流。2.3.2 外特性和電壓調(diào)整率同步發(fā)電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，由于漏阻抗壓降和電樞反應(yīng)的作用，使端電壓發(fā)生變化。對永磁同步發(fā)電機(jī)，漏阻抗壓降的作用與電勵(lì)磁電機(jī)是相同的，差別較大的是電樞反應(yīng)的影響。同步發(fā)電機(jī)常為感性負(fù)載，其電樞反應(yīng)是去磁的，端電壓將隨負(fù)載增加而下降；漏阻抗壓降隨負(fù)載增加而增加，它的作用也使端電壓下降，因此外特性是下降的。稀土永磁發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)去磁作

37、用要比電勵(lì)磁電機(jī)小，因此其外特性比電勵(lì)磁電機(jī)下降得小，電壓變化率也就比電勵(lì)磁電機(jī)小，下圖2-5中定性地畫出了兩種發(fā)電機(jī)的外特性。圖中實(shí)線為稀土永磁發(fā)電機(jī)的外特性；虛線為電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的外特性。圖2-5 外特性2.3.3 短路特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流Ik和超瞬態(tài)短路電流Ik可以用下列公式近似計(jì)算 (24)而 (25)式中 超瞬態(tài)直軸同步電抗；勵(lì)磁繞組漏電抗； 直軸阻尼繞組漏電抗。由于稀土永磁同步反彈機(jī)的Xd 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)小，故其穩(wěn)態(tài)短路電流就要大。稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的Xf 正比于永磁體的漏磁導(dǎo)，當(dāng)漏磁系數(shù)增大時(shí)，Xf增大，超瞬態(tài)電流Id 減小。一般切向結(jié)構(gòu)較徑向結(jié)構(gòu)漏磁系數(shù)大，切向結(jié)構(gòu)超瞬

38、態(tài)電流Id較徑向結(jié)構(gòu)超瞬態(tài)電流小。當(dāng)電機(jī)無阻尼繞組時(shí)，Xzd 為，直軸瞬態(tài)同步電抗為： (26)式中 2.3.4 功角特性一般，凸機(jī)同步發(fā)電機(jī)的電磁功率表示為： (27)式中 對于徑向磁化結(jié)構(gòu)的稀土永磁發(fā)電機(jī)，由于稀土永磁體的磁導(dǎo)率接近于空氣磁導(dǎo)率（一般為1.05-1.10），故可以作為一種隱極式結(jié)構(gòu)，XqXd,其功角特性曲線如下圖2-6中1所示；對于切向磁化結(jié)構(gòu)的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)來說，常有Xq>Xd,，則上述公式中，右邊第二項(xiàng)將是負(fù)值，最大電磁功率Pmax 的功率角可能大于/2，其功角特性也如下圖中2所示；曲線3是電勵(lì)磁凸機(jī)同步發(fā)電機(jī)。可以看出，在輸出同樣功率的時(shí)候，稀土永磁同步發(fā)電

39、機(jī)的功角比較大，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性差。圖2-6 功角特性2.3.5 損耗與效率前文提到，高效率是稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，這是在同等條件下與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)比較而言的。稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的高效率，可以歸納為以下各項(xiàng)原因：無勵(lì)磁損耗和電刷滑環(huán)摩擦損耗；轉(zhuǎn)子表面光滑，使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)阻損耗大為降低； 當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，稀土永磁發(fā)電機(jī)鐵損耗可以近似看做是不變的，電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)外特性軟，隨著負(fù)載的增大，必須同時(shí)增加其氣隙磁通量，方能保持電壓不變，故鐵損耗也相應(yīng)增大，效率降低。第3章 稀土永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)稀土永磁同步發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)比較，在電磁設(shè)計(jì)方面有以下一些差別：首先要根據(jù)技術(shù)要求，選擇合

40、適的稀土永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和稀土永磁材料；對稀土永磁同步發(fā)電機(jī)不需要設(shè)計(jì)計(jì)算勵(lì)磁繞組，但要計(jì)算和確定永磁體的體積、尺寸和工作點(diǎn)；稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算和校核，可以借助永磁體工作圖進(jìn)行；在某些設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和特性計(jì)算上，稀土永磁同步發(fā)電機(jī)往往與所選用的永磁材料和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。對稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求一般包括有：額定功率PN；相數(shù)m；額定相電壓UN；額定頻率f；額定轉(zhuǎn)速nN； 功率因數(shù)cos；工作制；防護(hù)等級；冷卻方式。有時(shí)候還會有其他的一些要求，比如工作環(huán)境溫度，繞組聯(lián)接方式，體積重量的限制，成本的考慮等。對于航空航天用電機(jī)還要提出環(huán)境和抗震動、沖擊等要求。3.1 電磁設(shè)計(jì)3.1.1

41、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇一般來說，對功率較小的稀土永磁發(fā)電機(jī)（功率幾千瓦），轉(zhuǎn)子宜采用徑向結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠渎┐疟容^小，工藝簡單。對功率較大的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子多采用切向結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗且环N聚磁結(jié)構(gòu)，便于提高電機(jī)的磁負(fù)荷，對極數(shù)較多的電機(jī)轉(zhuǎn)子，采用切向結(jié)構(gòu)也較易實(shí)現(xiàn)?？紤]到本設(shè)計(jì)中的給定參數(shù)，功率為5KW，極對數(shù)p2，航空航天用小型發(fā)電機(jī)，短時(shí)工作3-5min，再考慮到加工方便，最后轉(zhuǎn)子選取徑向式結(jié)構(gòu)。3.1.2 發(fā)電機(jī)大體尺寸和稀土永磁體的確定電機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要公式，通過它我們可以確定電機(jī)主要尺寸（電樞內(nèi)徑D和電樞鐵心長度L）： (31)式中，除電、磁負(fù)荷（A，B）外，其它參數(shù)或是技術(shù)要求給定的（如計(jì)算電磁功率P和

42、轉(zhuǎn)速n），或是變化范圍不大的（如計(jì)算極弧系數(shù)i、磁場波形系數(shù)KB和電樞基波繞組系數(shù)Kw1）,所以D²L的大小主要取決于A和B值的大小。但對稀土永磁電機(jī)A和B值大小的確定與稀土永磁體的結(jié)構(gòu)、尺寸、性能及磁能利用程度等有密切關(guān)系。又因?yàn)橛泄?(32)帶入公式（31）中，可估算出電樞內(nèi)徑D： (33)其中有兩種方法進(jìn)行大概的確定，一種是先預(yù)估出永磁體的體積尺寸，得到額定負(fù)載時(shí)永磁體應(yīng)向一對極外磁路提供的磁勢Fm,然后得到每極氣隙磁通；另一種是通過公式 (34)其中ECiUN,Ci是略大于1的系數(shù)，與電壓調(diào)整率有關(guān)。電樞內(nèi)徑確定之后，再選取合適的長徑比，發(fā)電機(jī)的大體尺寸都可以確定了，比如電

43、樞長L（同時(shí)也是永磁體軸向長度和轉(zhuǎn)子鐵心長度），轉(zhuǎn)子外徑（需要預(yù)取空氣氣隙長度和套環(huán)長度，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，所以必須安裝套環(huán)保證穩(wěn)定）。本例中估算出的電樞內(nèi)徑3.1cm,所以選取轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為3.0cm不變,然后選取不同的長徑比，極弧系數(shù)等得到不同的電樞長度做了幾組數(shù)據(jù)計(jì)算對比。稀土永磁體的確定首先考慮永磁體類型的選擇，考慮到電機(jī)工作在高溫環(huán)境下（250下），所以需要選取高溫下退磁較小的材料，最后選取了燒結(jié)衫鈷永磁體，該種燒結(jié)鈷基永磁體有退磁特性好、耐高溫、溫度穩(wěn)定性好、等優(yōu)點(diǎn)。牌號NSC27G， 可在300下正常工作，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為1.0-1.11T,矯頑力Hc為637-796 KA

44、/m。估算永磁體的體積是建立在稀土永磁體體積、性能和發(fā)電機(jī)功率的關(guān)系上的，一般資料上介紹有下列三種方法：純電感負(fù)載法估算發(fā)電機(jī)所需永磁體體積Vm。此法假設(shè)發(fā)電機(jī)為純電感負(fù)載，則其外特性大致呈直線變化，根據(jù)其外特性cos=0時(shí)，額定容量的公式，找出永磁體的體積、尺寸與發(fā)電機(jī)容量及永磁體性能之間關(guān)系： (35)其中 空載漏磁系數(shù)； Kk短路電流倍數(shù)；KadR直軸電樞磁勢折算到勵(lì)磁邊的折合系數(shù)；Kbk與永磁體工作點(diǎn)、磁路飽和程度、極弧系數(shù)等相關(guān)系數(shù)。對稀土永磁電機(jī)可預(yù)取0.4-1.0。大功率發(fā)電機(jī)取低值，小功率取高值。有點(diǎn)需要指出，上式（3-5）建立在鋁鎳鈷永磁體的基礎(chǔ)上，用于稀土永磁電機(jī)可能有較大

45、的誤差。從發(fā)電機(jī)外特性出發(fā)，經(jīng)推導(dǎo)得到永磁體體積公式 (36)其中 Kad直軸電樞反應(yīng)折合系數(shù)； KB磁場波形系數(shù)；KF發(fā)電機(jī)短路時(shí)每極磁勢與直軸電樞反應(yīng)磁勢比， 這里，F(xiàn)mk是發(fā)電機(jī)短路狀態(tài)稀土永磁體磁勢；Fadk是發(fā)電機(jī)短路狀態(tài)直流電樞反應(yīng)電勢。從公式(3-6)可以看出，稀土永磁體的體積與發(fā)電機(jī)容量成正比，與所用永磁體的最大磁能積成反比。但由于公式中很多參數(shù)都是取經(jīng)驗(yàn)值，所以初學(xué)者需要多次反復(fù)方能得到比較合理的結(jié)果。也可以使用預(yù)估稀土永磁電動機(jī)所需稀土永磁體體積的公式，做大概估算的時(shí)候兩者可以通用。 (37)式中 Km裕量系數(shù)； LM永磁體軸向長度。在得到永磁體的體積后，可以根據(jù)它來確定稀

46、土永磁體的具體尺寸，即磁化方向長度和截面積了。每極永磁體的體積為： (38)一對極氣隙的磁動勢為： (39)額定負(fù)載時(shí)永磁體應(yīng)向一對極外磁路提供的磁勢為 (310)式中 K氣隙系數(shù)； 等效氣隙長（表面有非磁性套環(huán)，等效氣隙長中應(yīng)包含套環(huán)長度）； Fm永磁體向外磁路提供的磁勢。本例中徑向結(jié)構(gòu)兩塊永磁體串聯(lián)提供的磁勢，而如果是切向則只是一塊永磁體提供的磁勢；Ka克服電樞反應(yīng)的去磁作用，永磁體磁勢應(yīng)該增大的系數(shù)，在1.041.15間預(yù)??；Ks磁路飽和系數(shù)，可在1.031.2范圍內(nèi)預(yù)取。估算Fm后，就可以求得每塊永磁體磁化方向上的平均長度hM,軸向長度LM、截面積Sm及每極氣隙磁通。對徑向磁化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子

47、： (311)這樣就確定了永磁體的大概尺寸，也就可以根據(jù)公式（3-3）來估算發(fā)電機(jī)的大體尺寸，然后根據(jù)這些大體值進(jìn)行后面的計(jì)算，如果不能滿足條件則重新確定永磁體和發(fā)電機(jī)的大體尺寸知道可以滿足為止。當(dāng)稀土永磁體的體積和尺寸都確定之后，工作點(diǎn)的選擇是和氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度密切相聯(lián)系的，考慮實(shí)際工作點(diǎn)的選擇時(shí)，首先要參考下列公式，還要考慮到發(fā)電機(jī)運(yùn)行中可能產(chǎn)生的電樞磁場對稀土永磁體的最大去磁，所以總把工作點(diǎn)選擇在高于稀土永磁體向外磁路提供最大有效磁能那一點(diǎn)（經(jīng)驗(yàn)表明，一般情況下，應(yīng)限制BM>0.75Br較合適，所以取在0.550.75 Br間）。氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度B與工作點(diǎn)關(guān)系密切，對在本例中這種頻率較

48、高的發(fā)電機(jī)來說，由于鐵耗與頻率的1.3次方和氣隙磁密的平方成正比，所以氣隙磁密不能取得過高。在具體設(shè)計(jì)中為了得到較好效果，選取永磁體的Br=1.0T,Hc=760KA/m，瓦片形等半徑式磁極，另外考慮到釤鈷材料成本較高，而且永磁體軸向長度跟定，轉(zhuǎn)子鐵心長度等長，為了節(jié)省材料和減少損耗，所以永磁體尺寸在滿足要求的情況下盡可能縮小，三組算例中永磁體的hM、bM、LM（cm）分別為（0.38，1.56，7.4），（0.35，1.56，4.92），（0.35，1.43，4），可以很明顯地看出永磁體尺寸對發(fā)電機(jī)具體性能的影響。3.2 轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)計(jì)算3.2.1 基本概念稀土永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏磁的大小對電

49、機(jī)性能有多方面的影響，例如，影響永磁體的利用，相同條件下漏磁大需要用的材料就多，使電機(jī)體積、重量增大，成本提高。轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)的大小還影響電機(jī)的工作特性。分析永磁體工作圖可見，若轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)較大，氣隙磁通線的斜率就較大，這意味著在相同的外磁路磁勢下提供氣隙有效磁通的能力就小，這樣電樞反應(yīng)的去磁作用就增大，外特性變軟，電壓調(diào)整率增大，由于同樣的原因，轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)大，短路電流就較小。永磁電機(jī)漏磁場分布復(fù)雜，計(jì)算比較困難，因此計(jì)算誤差相對比較大，這是永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算精度低于電勵(lì)磁同步電機(jī)計(jì)算精度的原因之一。由于磁導(dǎo)是并聯(lián)相加的，所以一般都是將轉(zhuǎn)子漏磁場分布規(guī)律近似相同的部分分割出來，分別計(jì)算其磁導(dǎo)，然后將各部分漏磁導(dǎo)相加得到總漏磁。要獲得比較精確的計(jì)算結(jié)果，可才采用電子計(jì)算機(jī)求解三維磁場的方法來計(jì)算，但計(jì)算復(fù)雜、工作量大。若采用二維場的方法計(jì)算，由于不能計(jì)及端部漏磁，而實(shí)際其所占比重又不小，故可能造成較大誤差。影響轉(zhuǎn)子漏磁大小的因素很多，諸如極弧系數(shù)、氣隙、長徑比的大小和永磁體的尺寸、形狀等。負(fù)載電流I的大小對漏磁有明顯的影響，負(fù)載電流越大，漏磁就越大（圖3-1），這是因?yàn)樨?fù)載電流增加時(shí)，電樞反應(yīng)去磁磁勢增大，由永磁體工作圖可見，這就使永磁體對外磁路提供的磁勢增