永磁節(jié)能電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)布日期：2021-07-15

永磁節(jié)能電機(jī)與勵磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產(chǎn)廠的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機(jī)的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數(shù)據(jù)的離散性很大。而且永磁體在電機(jī)中所能提供的磁通量和磁動勢還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。此外，永磁發(fā)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，漏磁路十分復(fù)雜而且漏磁通占的比例較大，鐵磁材料部分又比較容易飽和，磁導(dǎo)是非線性的。這些都增加了永磁發(fā)電機(jī)電磁計算的復(fù)雜性，使計算結(jié)果的準(zhǔn)確度低于電勵磁發(fā)電機(jī)。因此，必須建立新的設(shè)計概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；必須應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法，研究新的分析計算方法，以提高設(shè)計計算的準(zhǔn)確度；必須研究采用先進(jìn)的測試方法和制造工藝。

控制問題

永磁發(fā)電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。這些使永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBTT等電力電子器件的控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，永磁發(fā)電機(jī)在應(yīng)用中無需磁場控制而只進(jìn)行電機(jī)輸出控制。設(shè)計時需要釹鐵硼材料，電力電子器件和微機(jī)控制三項新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁發(fā)電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。

不可逆退磁問題

如果設(shè)計和使用不當(dāng)，永磁發(fā)電機(jī)在溫度過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適合于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計和制造時采用相應(yīng)措施保證永磁式發(fā)電機(jī)不會失磁。

成本問題

由于稀土永磁材料目前的價格還比較貴，稀土永磁發(fā)電機(jī)的成本一般比電勵磁式發(fā)電機(jī)高，但這個成會在電機(jī)高性能和運(yùn)行中得到較好的補(bǔ)償。在今后的設(shè)計中會根據(jù)具體使用的場合和要求，進(jìn)行性能、價格的比較，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和設(shè)計的優(yōu)化，以降低制造成本。無可否認(rèn)，現(xiàn)正在開發(fā)的產(chǎn)品成本價格比目前通用的發(fā)電機(jī)略高，但是我們相信，隨著產(chǎn)品更進(jìn)一步的完美，成本問題會得到很好的解決。美國DELPHI（德爾福）公司的技術(shù)部負(fù)責(zé)人認(rèn)為：“顧客注重的是每公里瓦特上的成本?！彼倪@一說法充分說明了交流永磁發(fā)電機(jī)的市場前景不會被成本問題困擾。

永磁轉(zhuǎn)子特點

結(jié)構(gòu)1：并聯(lián)磁場結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)采用鑄造壓制而成，里面嵌放永磁體，能量大、重量輕、體積小、整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，最大工作轉(zhuǎn)速大于15000轉(zhuǎn)/分。專利號；ZL96 2 47776.1 結(jié)構(gòu)2：串聯(lián)磁場式結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子采用鋼結(jié)構(gòu)，表面按順序嵌放永磁鐵，轉(zhuǎn)子表面磁通強(qiáng)、重量輕、體積小、整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，最大工作轉(zhuǎn)速大于15000轉(zhuǎn)/分。專利號：ZL98 2 33864.3 整機(jī)穩(wěn)壓系統(tǒng)特點：采用可控硅和二極管組成半控橋式整流電路。穩(wěn)壓系統(tǒng)是一種斬波調(diào)制型穩(wěn)壓裝置，其穩(wěn)壓精度為正負(fù)0.1v，故該發(fā)電機(jī)具有能瞬間承受較大電流、運(yùn)行可靠和耐用等特點，又因可直接利用發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電的反向電壓使可控硅自行關(guān)斷，故無需加關(guān)斷電路，使電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠。

優(yōu)點

編輯

1：結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵磁式發(fā)電機(jī)的勵磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵磁式發(fā)電機(jī)勵磁式發(fā)電機(jī)勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大為提高。

2：體積小、重量輕、比功率大。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減少，實用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比例）達(dá)到一個很高的值。

3：中、低速發(fā)電性能好。功率等級相同的情況下，怠速時，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發(fā)電機(jī)的實際等功率等級的勵磁式發(fā)電機(jī)。

4：能顯著地延長蓄電池壽命，減少蓄電池維護(hù)工作。主要原因是永磁式發(fā)電機(jī)采用的是開關(guān)式的整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高，充電效果好。避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機(jī)的開頭式整流輸出對蓄電池采用小電流脈沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長蓄電池的使用壽命。

5：效率高。永磁式發(fā)電機(jī)是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵磁式發(fā)電機(jī)在1500轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機(jī)則可高達(dá)75%至80%。

6：采用自啟動式穩(wěn)壓器無需外加勵磁電源。發(fā)電機(jī)只要一旋轉(zhuǎn)就能發(fā)電。當(dāng)蓄電池?fù)p壞時，只要發(fā)動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，汽車充電系統(tǒng)仍可正常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉(zhuǎn)手把或溜車，也可實現(xiàn)點火運(yùn)行。

7：特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作。

8：無線電干擾。永磁發(fā)電機(jī)無碳刷、無滑環(huán)的結(jié)構(gòu)，消除了碳刷與滑環(huán)磨擦產(chǎn)生的無線電干擾；消除了電火花，特別適合于爆炸性危險程度較大的環(huán)境下工作，也降低了發(fā)電機(jī)對環(huán)境溫度的要求。

結(jié)構(gòu)特性對比

編輯

1：永磁式發(fā)電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子磁場大，無勵磁繞組，無碳刷，無滑環(huán)，氣隙大，無觸點，整機(jī)唯一磨損部位是軸承。提高了產(chǎn)品可靠性，不用外接調(diào)節(jié)器，導(dǎo)磁體材料間距采用優(yōu)化設(shè)計，減少了漏磁，使發(fā)電機(jī)怠速性能好，出電路足。

勵磁式發(fā)電機(jī)：怠速發(fā)電性能差，電瓶容易放完電；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1500-6000轉(zhuǎn)/分區(qū)間效率只有40%-50%，效率低，因轉(zhuǎn)子存在勵磁線圈，整機(jī)溫升高；勵磁式發(fā)電機(jī)還極易出現(xiàn)碳刷、滑環(huán)損壞等問題。

2：性能對比。（以28V、36A、1000W 發(fā)電機(jī)為例）

28V、36A、1000W 發(fā)電機(jī)	電流 (A)	滿載轉(zhuǎn)速(r/min)	平均效率（1500-6000r/min)	調(diào)節(jié)電壓（V)	負(fù)載特性（V)	轉(zhuǎn)速特性（V)
勵磁式	9	3500	0.45	28±0.3	\|△U\|≤0.8	\|△U\|≤0.5
永磁式	18	2800	0.8	28±0.2	\|△U\|≤0.3	\|△U\|≤0.2

3：體積溫升對比。如下表：

	外徑（mm)	長度（mm)	溫升（K)	重量（kg)
勵磁式	Φ142	180	75	6.5
永磁式	Φ128	165	50	4

從以上性能、結(jié)構(gòu)、體積等對比情況分析，永磁式比勵磁式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、性能優(yōu)越，低速時發(fā)電充足。JFYJ永磁發(fā)電機(jī)（3000W）和普通勵磁發(fā)電機(jī)（3000W）的體積重比較，如下表：