摘要：與普通勵磁發(fā)電機相比，永磁發(fā)電機具有功率密度高、特征信號小、結構簡(jiǎn)單、運行可靠、發(fā)電機的尺寸和形狀靈活多樣等性能特點(diǎn)。永磁同步發(fā)電機由于沒(méi)有勵磁繞組和勵磁電源，采用了稀土永磁材料，功率質(zhì)量比較顯著(zhù)，同時(shí)由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和逆變技術(shù)可靠性的完善和發(fā)展，主要用于要求響應快速、調速范圍寬、定位準確的高性能柴油發(fā)電機組供電系統。

一、勵磁和永磁發(fā)電機的各種特點(diǎn)

      柴油發(fā)電機組的電球可分為永磁發(fā)電機和勵磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機與勵磁發(fā)電機的最大區別在于它的勵磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉子提供勵磁電流；而勵磁調節器則根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。

1、勵磁發(fā)電機

      勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉子提供勵磁電流；而勵磁調節器則根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統的自動(dòng)勵磁調節器對提高電力系統并聯(lián)機組的穩定性具有相當大的作用。尤其是現代電力系統的發(fā)展導致機組穩定極限降低的趨勢，也促使勵磁技術(shù)不斷發(fā)展。同步發(fā)電機的勵磁系統主要由功率單元和調節器（裝置）兩大部分組成。

      其中勵磁功率單元是指向同步發(fā)電機轉子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調節器則是根據控制要求的輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調節器、勵磁功率單元和發(fā)電機本身一起組成的整個(gè)系統稱(chēng)為勵磁系統控制系統。勵磁系統是發(fā)電機的重要組成部份，它對電力系統及發(fā)電機本身的安全穩定運行有很大的影響。勵磁系統的主要特點(diǎn)：

（1）根據發(fā)電機負荷的變化相應的調節勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；

（2）控制并列運行各發(fā)電機間無(wú)功功率分配；

（3）提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)穩定性；

（4）提高發(fā)電機并列運行的暫態(tài)穩定性；

（5）在發(fā)電機內部出現故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度；

（6）根據運行要求對發(fā)電機實(shí)行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

2、永磁同步發(fā)電機的特點(diǎn)

      稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁等永磁材料于20世紀后期相繼問(wèn)世，它們具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線(xiàn)性退磁曲線(xiàn)等優(yōu)異性能，因此特別適合應用在永磁同步發(fā)電機上。從此，永磁同步發(fā)電機進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。與傳統的電勵磁式同步發(fā)電機相比，永磁同步發(fā)電機有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）結構簡(jiǎn)單

      永磁同步發(fā)電機省去了勵磁繞組和容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，結構簡(jiǎn)單（如圖1所示），加工和裝配費用減少。

（2）體積小

      采用稀土永磁可以增大氣隙磁密，并把發(fā)電機轉速提高到最佳值，從而顯著(zhù)縮小發(fā)電機體積，提高功率質(zhì)量比。

（3）效率高

      由于省去了勵磁用電，沒(méi)有勵磁損耗和電刷集電環(huán)間的摩擦、接觸損耗。另外，在設置緊圈的情況下，轉子表面光滑，風(fēng)阻小。與凸極式交流電勵磁同步發(fā)電機相比，同等功率的永磁同步發(fā)電機的總損耗大約要小10％～15％。

（4）電壓調整率小

      處于直軸磁路中的永磁體的磁導率很小，直軸電樞反應電抗較電勵磁式同步發(fā)電機小得多，因而固有電壓調整率也比電勵磁式同步發(fā)電機小。發(fā)電機電路示意圖如圖2所示。

（5）高可靠性

      永磁同步發(fā)電機轉子上沒(méi)有勵磁繞組，轉子軸上也不需要安裝集電環(huán)，因而沒(méi)有電勵磁式發(fā)電機上存在的勵磁短路、斷路、絕緣損壞、電刷集電環(huán)接觸不良等一系列故障連帶關(guān)系。另外，由于采用永磁體勵磁，永磁同步發(fā)電機的零部件也少于一般發(fā)電機，結構簡(jiǎn)單，運行可靠。

      雖然永磁同步發(fā)電機具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應用前景，但從目前的實(shí)際應用情況來(lái)看，其應用仍有一定局限，未能得到大面積的推廣和使用。主要原因在于永磁同步發(fā)電機采用永磁體勵磁，由于永磁體的高矯頑力使得從外部調節發(fā)電機的磁場(chǎng)變化極為困難；由于勵磁不可調，轉速的變化和負載電流的變化都將造成輸出電壓的波動(dòng)?？梢哉f(shuō)，勵磁不可調整引起的輸出電壓不穩已經(jīng)成為限制永磁同步發(fā)電機推廣應用的瓶頸。

二、永磁同步發(fā)電機的結構

1、整體結構

      永磁發(fā)電機結構由定子和轉子兩大部分組成。

（1）定子

      定子是指發(fā)電機在運行時(shí)的固定部分，主要由硅鋼片、三相丫形聯(lián)結的對稱(chēng)分布在定子槽中彼此相差120°電角度的電樞繞組、固定鐵心的機殼及端蓋等部分組成。

（2）轉子

      轉子是指發(fā)電機運行時(shí)的旋轉部分，通常由轉子鐵心、永磁體磁鋼、套環(huán)和轉子轉軸組成。永磁材料，尤其是鈷永磁材料的抗拉強度低，質(zhì)硬而脆。如果轉子上無(wú)防護措施，當發(fā)電機轉子直徑較大或高速運行時(shí)，轉子表面所承受的離心力已接近甚至超過(guò)永磁材料的抗拉強度，將使永磁體出現破壞，所以高速運行的永磁同步發(fā)電機多選用套環(huán)式轉子結構。所謂套環(huán)式轉子結構，就是通過(guò)一個(gè)高強度的金屬材料制成的薄壁圓環(huán)緊緊地套在轉子外圓或內圓處，通過(guò)套環(huán)把電機轉子上的永磁體磁鋼、軟鐵極靴都固定在相應的位置上。這樣，永磁同步發(fā)電機的轉子像一個(gè)完整的實(shí)心體，保證了高速運行時(shí)的可靠性。

2、轉子的磁路結構

      永磁同步發(fā)電機的結構特點(diǎn)主要表現在轉子上，通常，按照永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關(guān)系，可分為切向式和徑向式等。

（1）切向式轉子磁路的結構

      在切向式轉子磁路結構中，轉子的磁化方向與氣隙磁通軸線(xiàn)接近垂直且離氣隙較遠，其漏磁比較大。但永磁體產(chǎn)生并聯(lián)作用，有兩個(gè)永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數較多的情況下更為突出。因此，切向式適合于極數多且要求氣隙磁通密度高的永磁同步發(fā)電機。永磁體和極靴的固定方式采用套環(huán)式結構，如圖3所示。

（2）徑向式轉子磁路的結構

      徑向式轉子磁路結構如圖4所示，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線(xiàn)一致且離氣隙較近，在一對磁極的磁路中，有兩個(gè)永磁體提供磁動(dòng)勢，永磁體工作于串聯(lián)狀態(tài)，每塊永磁體的截面提供發(fā)電機每極氣隙磁通，每塊永磁體的磁勢提供發(fā)電機一個(gè)極的磁勢。