永磁同步发电机的设计及磁场项目设计方案

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1、永磁同步发电机的设计及磁场项目设计方案1.1永磁材料发展概况19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然铁矿石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85KJ∕m3）和50年代出现的铁氧体永磁材料（最大磁能积现可达40KJ∕m3），磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机也纷纷使用永磁体来励磁。这段时期在永磁电机设计理论、计算方法、充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的

2、一套分析研究方法。但是铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36~160KA∕m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2~0.44T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到上世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性的退磁曲线等优异性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。1967年美国K••J•Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可以表示成RCO5（其中R代表钐、镨等稀土元素），产品最大的磁能积现已超过199K

3、J∕m3（25MG•Oe）。1973年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2CO7.产品的最大磁能积现已达258.6KJ∕m3（32MG•Oe）。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431.3KJ∕m3（54.2MG•Oe），商品生产现已达397.9KJ∕m3（50MG•Oe），称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资-钴，因而引起了国内外磁学界的和电机界的极大关注，

4、纷纷投入大量的人力物力进行研究开发。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有更大的突破。1.2永磁同步发电机显著优点45永磁同步发电机的结构与电励磁同步发电机的结构大体相似，其主要结构分别由定子、转子和机座组成。永磁电机的定子由定子铁心和定子三相对称绕组构成，其有别与电励磁同步发电机的结构是转子，转子主要由转轴、永磁体及相关支撑部件组成。由于其采用永磁材料，固其具有以下优点：1体积小，重量轻转子部分采用高磁场的永磁体代替电磁线圈，转子体积要小得多，因此该发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。2效率高，节能效

5、果显著由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁损耗，因此三相永磁同步发电机比常规发电机明显节约能量；其效率能提高10-15%，是一种典型节能产品。3电压波形质量好，适用于各种负载情况由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载（包括感性和容性负载）情况下都可以使电压波形畸变率保持在较小的范围。4过载能力强，适合于在各种恶劣环境下工作5无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁体和铁心固成一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。1.3永磁同步发电机的发展

6、方向和前景永磁同步发电机有别于传统电励磁同步发电机，其最主要的区别在于转子采用永磁材料来产生磁场；其次永磁同步发电机与不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150kVA14极12000r/min~21000r/min和100kVA6000r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3KW20000r/min的永磁发电机。永磁发电机也用作大

7、型汽轮发电机的副励磁机，80年代我国研制成功当时世界容量最大的40kVA~160KVA稀土永磁副励磁机，配备200MW~600MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。从永磁电机的已有发展可以看出其发展是随着永磁材料性能的不断改进而发展起来。目前，独立电源用的内燃机驱动发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的永磁风力发电机正在逐步推广45。随着现代的电力电子技术的不断成熟和机电一体化设备的广泛运用，永磁同步发电机的转子磁场不可调节性以及其他相关不理想因素也将不断改善，其将会随着永磁材料和电力电子技术等相关技术的发展向着大功率化、微型化、多样化、高性能化

8、等方向发展。第2章永磁同步发电机结构和原理2.1永磁同步发电机结构2.1.1转子结构由于其转子磁场由永磁材料