新型高效永磁同步发电机技术研究

电机系统节能ＥＭＣＡ　迫札与粒希Ｊ应用２０１３，４０（７）　

新型高效永磁同步发电机技术研究　

姚丙雷，　张宝强　

（上海电机系统节能工程技术研究中心，上海２０００６３）　

摘要：结合国内高效新型永磁同步发电机的开发和研究，介绍了无铁心永磁同步发电机、混合励磁永　磁同步发电机、双单元永磁同步发电机和双定子永磁同步发电机的结构、设计理念及技术发展，以促使永磁发　电机的设计理念及创新技术不断变革及发展。　关键词：永磁同步发电机；高效节能；技术发展　中图分类号：ＴＭ　３５１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３－６５４０（２０１３）０７—０００６－０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｎｅｗ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　

ＹＡＯ　Ｂｉｎｇｌｅｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｂａｏｑｉａｎｇ　

（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｍｏｔｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００６３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｎｅｗ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　

ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｉｒｏｎｌｅｓｓ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｈｙｂｒｉｄ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｄｕａｌ—ｕｎｉｔ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　

ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ—ｓｔａｔｏｒ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｎｄ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｔｏ　ｃｈａｎｇｅ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｅｎｅｒｇｙ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

０　引　言　１　无铁心永磁同步发电机　

随着绝缘材料、永磁材料的发展及发电机制　

造技术的进步，人们在追求发电机效率的同时，优　

化中小发电机体积，提高发电机功率密度已成为　

关注的热点。现代发电机系统零部件极力追求高　

密度、轻量小型化、低成本和高可靠性，性能指标　

较为苛刻，必须在结构、电磁、材料、电力电子等多　

方面进行分析与平衡。因此，国内外电机领域在　

改进传统电励磁发电机结构，提高功率密度的同　

时，研究了新结构永磁发电机，推动了永磁发电机　

的结构、设计技术、性能和制造技术的进步。　

国内电机行业科研院所及生产企业在研究开　

发新型永磁同步发电机核心技术过程中，思考与　

探索了多种新结构永磁发电机，研发了无铁心永　

磁同步发电机、混合励磁永磁同步发电机、双单元　

永磁同步发电机、双定子永磁同步发电机及等多　

种高效节能的新型结构永磁发电机，具有显著的　

节材节能效果。　普通永磁发电机的永磁体摆放大多采用径向　

或切向阵列结构，其示意图分别如图１和图２所　

示。Ｈａｌｂａｃｈ阵列是将径向与切向阵列结合在一　

起的一种新型磁性结构，如图３所示。由图１～　

图３可看出，径向与切向永磁体阵列的合成　

（Ｈａｌｂａｃｈ阵列）使一边的磁场增强而另一边的磁　

场减弱。对于永磁电机，希望气隙磁通增加而转　

子轭部磁通减小，Ｈａｌｂａｃｈ磁体结构恰好能满足这　种要求　］　

图１径向阵列磁场分布　

◎◎◎　

网２

切向阵列磁场分布　迫扎与拄制应用２０１３，４０（７）　电机系统节能　ＥＭｅＡ　

图３　Ｈａｌｂａｃｈ阵列磁场分布　

与传统径向式、切向式磁路结构相比，　

Ｈａｌｂａｃｈ永磁体结构发电机具有很小的转子轭部　

磁通量密度。因此Ｈａｌｂａｃｈ磁体结构发电机可采　

用较小的转子铁心轭部厚度，甚至省去转子铁心，　

这对降低电机的体积和重量，提高电机的转矩密　

度和功率密度极为有利。采用稀土永磁无铁心电　

机的柴油电站，同等输出功率条件下，油耗降低约　

４０％。与传统发电机相比还可节省钢材约５０％，　

节约铜材５０％Ｌ４ｊ。　

２　混合励磁同步发电机　

永磁发电机与电励磁发电机相比实现了无刷　

化，且具有结构简单、体积小、重量轻、高功率密度　

和高效等诸多优点。但由于励磁磁场由永磁材料　

提供，其磁场难以调节，存在电压调整率过高、电　

压稳定性差、带无功负载能力差等缺陷。由此，提　

高永磁同步发电机电压的可控性和可调性成为国　

内外学者关注的热点。　

近年来，针对永磁发电机磁场无法调节的问　

题，国内外电机学者与专家提出了混合励磁设计　

理念，从定转子结构、永磁体磁路结构等方面进行　

研究和探索，将电励磁引入到永磁发电机中，在发　

挥永磁发电机高效的同时，也实现电压的可控性　

和可调性，具有重要的现实意义。根据混合励磁　

发电机的特点，分为双永磁混合励磁发电机和新　

型磁路混合励磁发电机。　

２．１双永磁混合励磁发电机　

双永磁混合励磁发电机在电励磁发电机的　

基础上增加了永磁转子部分，其转子包括永磁　

励磁转子和电励磁转子两部分。永磁转子为　

发电机的主要部分，电励磁转子的作用是调整　

发电机的电压，电励磁部分的励磁机为永磁同　

步发电机，在励磁机后端装有旋转自动电压调　

节器（ＡＶＲ），能够根据测得的电压大小调整励　

磁电流的大小，确保发电机工作在额定电压，　

其结构如图４所示　Ｊ。　永磁永磁励磁永磁劢磁　定子转子机定子机转子　

图４双永磁混合励磁ｌ司步发电机　

双永磁混合励磁发电机与电励磁发电机相　

比，具有效率高、体积小、节能节材的特点，体积与　

重量缩小３０％～４０％，制造材料省２０％～３０％，效　

率比传统电励磁发电机高４％～８％，电压调整率　

可达１％以下。　

２．２新型磁路混合励磁发电机　

新型磁路混合励磁发电机将永磁发电机定子　

铁心分成两部分，如图５所示，在两定子中间问隙　

放置直流励磁绕组。转子也分成两部分，分别为　

Ｎ极端和ｓ极端两部分，在每极端靠近两转子间　

隙处交错排列铁磁极，用于转子的轴向导磁。通　

过调节直流励磁电流的大小和方向，控制发电机　

的输出电压　Ｊ。　

图５新型磁路混合励磁发电机　

新型磁路混合励磁发电机与电励磁发电机相　

比，具有效率高、体积小、节能节材的特点，体积与　

重量可缩小约２０％，效率可比传统电励磁发电机　

的高１０％，电压调整率可达１％以下。　

３　双单元永磁同步发电机　

双单元永磁发电机包括两个具有不同磁极数　

的多极高频发电机单元，发电机两个定子安装在　

同一个机座内，两个转子安装在同一个转子轴上，　

定转子机械结构与新型磁路混合励磁发电机类　

似，发电机的磁极不含有铁磁极。发电机在同样　

的转速下，两个发电机定子单元发出不同频率但　电机系统节能ＥＭＣＡ　电弗乙与控芾Ｊ应用２０１３，４０（７）　

幅值相同的交流电。两个发电机的定子线圈串联　

连接，使得两个发电机的输出电流经叠加生成一　

个幅值随两等幅交流电压差变化的具有包络线的　

调幅电流，经调相滤波后，可形成具有包络线频率　的交流电输出　Ｊ，再对波形进行整形滤波，输出　

接近正弦波的电流。　

以２　ｋＷ发电机为例，与传统电励磁发电机　

相比，该发电机可节约２０％的耗油量，每产生一　

度电可节约０．１　Ｌ汽油，节能效果显著。　

４　双定子永磁同步发电机　

图６为双定子永磁同步发电机的结构图。双　

定子永磁同步发电机可看作由内、外两个永磁同　

步发电机构成，外定子、转子外磁体组成一台内转　

子永磁同步发电机（外电机），内定子、转子内磁　

体组成一台外转子永磁同步发电机（内电机），且　

内、外电机定子绕组相互串联组成双定子永磁同　

步发电机的定子绕组。由于转子内、外磁体充磁　

方向相同，双定子永磁同步发电机的转子轭部铁　

心周向磁通密度很低，因此这一轭部厚度只决定　

于机械强度，而可以不考虑电机转子轭部饱和。　

图６双定子永磁同步发电机结构示意图　

双定子永磁同步发电机在不考虑散热差异的　

前提下，功　体积密度比通常内转子永磁同步发　

电机提高５０％，在电阻负载时，额定电压调整率约　

为５％，额定效率达９０％，具有良好的性能　。　５　结　语　

介绍了无铁心永磁同步发电机、混合励磁永　

磁同步发电机、双单元永磁同步发电机和双定子　

永磁同步发电机。Ｈａｌｂａｃｈ磁体结构发电机可采　

用较小的转子铁心轭部厚度，甚至省去转子铁心，　

这对降低电机的体积和重量，提高电机的转矩密　

度和功率密度极为有利。双永磁混合励磁发电机　

与电励磁发电机相比，具有效率高、体积小、节能　

节材的特点，体积与重量可缩小３０％～４０％，制造　

材料可省２０％～３０％。新型磁路混合励磁发电机　

与电励磁发电机相比，具有效率高、体积小、节能　

节材的特点，体积与重量可缩小约２０％。双单元　

永磁同步发电机可节省约２０％的耗油量。双定　

子永磁同步发电机在不考虑散热差异的前提下，　

功率／体积密度比通常内转子永磁同步发电机提　

高５０％，在电阻负载时，额定电压调整率约为　

５％，额定效率达９０％。　

【参考文献】　

［１］　王凤翔．Ｈａｌｂａｅｈ阵列及其在永磁电机设汁　Ｉｌ的应　用［Ｊ］．微特电机，１９９９（４）：２２—２４．　［２］　姚春元．Ｈａｌｂａｃｈ电机的基本原理及其有限元辅助　设计［Ｊ］．微计算机信息，２００４，２０（６）：３３—３４．　［３］　梅昆，张光荣，梁海颜，等．双永磁Ｔ频无刷同步发　电机［Ｐ］．２０１０２０５１６８６２．７．２０１０．　［４］　王惠军，刘剑锋，刘西全，等．混合励磁永磁发电机　的设计与性能分析［Ｊ］．电气技术，２０１１（Ｉ１）：　

８一ｌ１．　［５］　陈维加．一种交流发电机的发电机方法币¨发电机　［Ｐ］．２０１１１００３３１７４．４．２０１１．　［６］　王雅玲，徐衍亮，刘西全．双定子永磁同步发电机　（１）——结构原理及其响应面法设计［Ｊ］．电Ｔ技　术学报，２０１１，２６（７）：１６７—１７２．　收稿日期：２０１３—０５　０７　

（上接第５页）　

［２］ＩＥＣ　６００３４—３０－－２００８单相，三相笼型感应电动机　

的能效分级（ＩＥ代码）［Ｓ］．　

［３］　王传军，金惟伟，陈亘，等．高效和超高效电机低不　

确定度效率测试系统的研究与设计［Ｊ］．电机与控　

制应用，２０１０，３７（４）：１—５．　

一Ｒ一　［４］　顾德军．不同测试方法对电动机效率的影响＿Ｊ　１．　电机与控制应用，２０１０，３７（５）：５２—５４．　［５］　才家刚，吴亚奇．电机试验技术及设备手册［Ｍｊ．　北京：机械工业出版社，２０１１．　收稿日期：２０１３　０４　２６