康明斯动力（深圳）有限公司

摘要：与普通励磁发电机相比，永磁发电机具有功率密度高、特征信号小、结构简单、运行可靠、发电机的尺寸和形状灵活多样等性能特点。永磁同步发电机由于没有励磁绕组和励磁电源，采用了稀土永磁材料，功率质量比较显著，同时由于电力电子技术的发展和逆变技术可靠性的完善和发展，主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能柴油发电机组供电系统。

一、励磁和永磁发电机的各种特点

      柴油发电机组的电球可分为永磁发电机和励磁发电机，永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

1、励磁发电机

      励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。

      其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。励磁系统的主要特点：

（1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；

（2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；

（3）提高发电机并列运行的静态稳定性；

（4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；

（5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；

（6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

2、永磁同步发电机的特点

      稀土钴永磁和钕铁硼永磁等永磁材料于20世纪后期相继问世，它们具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异性能，因此特别适合应用在永磁同步发电机上。从此，永磁同步发电机进入了飞速发展的时代。与传统的电励磁式同步发电机相比，永磁同步发电机有以下几个方面的优点：

（1）结构简单

      永磁同步发电机省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构简单（如图1所示），加工和装配费用减少。

（2）体积小

      采用稀土永磁可以增大气隙磁密，并把发电机转速提高到最佳值，从而显著缩小发电机体积，提高功率质量比。

（3）效率高

      由于省去了励磁用电，没有励磁损耗和电刷集电环间的摩擦、接触损耗。另外，在设置紧圈的情况下，转子表面光滑，风阻小。与凸极式交流电励磁同步发电机相比，同等功率的永磁同步发电机的总损耗大约要小10％～15％。

（4）电压调整率小

      处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁式同步发电机小得多，因而固有电压调整率也比电励磁式同步发电机小。发电机电路示意图如图2所示。

（5）高可靠性

      永磁同步发电机转子上没有励磁绕组，转子轴上也不需要安装集电环，因而没有电励磁式发电机上存在的励磁短路、断路、绝缘损坏、电刷集电环接触不良等一系列故障连带关系。另外，由于采用永磁体励磁，永磁同步发电机的零部件也少于一般发电机，结构简单，运行可靠。

      虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛的应用前景，但从目前的实际应用情况来看，其应用仍有一定局限，未能得到大面积的推广和使用。主要原因在于永磁同步发电机采用永磁体励磁，由于永磁体的高矫顽力使得从外部调节发电机的磁场变化极为困难；由于励磁不可调，转速的变化和负载电流的变化都将造成输出电压的波动。可以说，励磁不可调整引起的输出电压不稳已经成为限制永磁同步发电机推广应用的瓶颈。

二、永磁同步发电机的结构

1、整体结构

      永磁发电机结构由定子和转子两大部分组成。

（1）定子

      定子是指发电机在运行时的固定部分，主要由硅钢片、三相丫形联结的对称分布在定子槽中彼此相差120°电角度的电枢绕组、固定铁心的机壳及端盖等部分组成。

（2）转子

      转子是指发电机运行时的旋转部分，通常由转子铁心、永磁体磁钢、套环和转子转轴组成。永磁材料，尤其是钴永磁材料的抗拉强度低，质硬而脆。如果转子上无防护措施，当发电机转子直径较大或高速运行时，转子表面所承受的离心力已接近甚至超过永磁材料的抗拉强度，将使永磁体出现破坏，所以高速运行的永磁同步发电机多选用套环式转子结构。所谓套环式转子结构，就是通过一个高强度的金属材料制成的薄壁圆环紧紧地套在转子外圆或内圆处，通过套环把电机转子上的永磁体磁钢、软铁极靴都固定在相应的位置上。这样，永磁同步发电机的转子像一个完整的实心体，保证了高速运行时的可靠性。

2、转子的磁路结构

      永磁同步发电机的结构特点主要表现在转子上，通常，按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，可分为切向式和径向式等。

（1）切向式转子磁路的结构

      在切向式转子磁路结构中，转子的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比较大。但永磁体产生并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此，切向式适合于极数多且要求气隙磁通密度高的永磁同步发电机。永磁体和极靴的固定方式采用套环式结构，如图3所示。

（2）径向式转子磁路的结构

      径向式转子磁路结构如图4所示，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，在一对磁极的磁路中，有两个永磁体提供磁动势，永磁体工作于串联状态，每块永磁体的截面提供发电机每极气隙磁通，每块永磁体的磁势提供发电机一个极的磁势。