永磁体在发电机中的应用探究

（1）小型永磁发电机中爪极式永磁发电机

常用小型永磁发电机为爪极式永磁发电机。爪极式永磁发电机功率较小，多用在汽车、拖拉机发电经整流后给蓄电池充电供点火线圈点火或照明及汽车的自动控制用电。爪极式永磁发电机转子结构如图2-1所示，永磁体做成管状，轴向充磁，通过非磁性材料固定在转子轴上或直接固定在非磁性材料的转子轴上，永磁体磁极分别固定在磁导率很高的带有爪极的法兰盘上，爪极在转子圆周上形成N—S—N—S…相间的磁极。当转子被转动时，在定子绕组中便产生了交流电，经整流后给汽车、拖拉机的蓄电池充电。

爪极式永磁发电机的特点是只用一个管状轴向磁化的永磁体，永磁体数量少且形状简单，通过磁导率很高的带有爪极的法兰盘将磁性传导到极爪上，形成N—S—N—S…相间的转子磁极。爪极式转子的爪极数愈多，即爪极的磁极累计面积愈大，则爪极磁极表面的磁感应强度愈小，爪极永磁发电机功率愈小。最合理的爪极数是爪极的极面积之和和永磁体的环形极面积相等，这时爪极极面的磁感应强度与永磁体环形磁极极面的磁感应强度相等，爪极式永磁发电机功率较大。

在爪极式永磁发电机中，永磁体为轴向布置。

（2）中、大功率永磁发电机

由于风能是无污染可再生的清洁能源，自20世纪80年代之后，利用风能发电发展十分迅速，风电每年以30%以上的增容速度发展着。由于永磁发电机效率高、重量轻、温升低、噪声小、可靠性高、结构简单、维修方便，又可做成多极低转速，非常适合于风电机组用发电机。中、大型永磁发电机多用在风电机组上。

图2-1 爪极式永磁发电机转子结构

1—N极爪极法兰盘 2—S极爪极法兰盘 3—轴向磁化的永磁体 4—非磁性材料 5—转子轴

中、大型永磁发电机的永磁体磁极排列基本上有两种形式，一种是径向排列，另一种是切向排列，前者亦称面极式，后者亦称隐极式。这两种永磁体磁极一般都布置在转子上，绕组布置在定子上。当转子转动时，由定子绕组输出交流电。只有永磁直流发电机将永磁体磁极布置在定子上。

1）图2-2a所示为永磁发电机的永磁体磁极径向排列的结构图。永磁体磁极径向排列是永磁体极面直接作为转子磁极的极面，永磁体极面直接面对气隙，漏磁小，且易于实现对永磁体冷却。永磁体磁极径向排列属于永磁体串联，在转子为磁导率很高的材料时，串联永磁体的磁极表面的磁感应强度比单个永磁体极面的磁感应强度大一些，一般情况下大5%～10%。

永磁发电机的永磁体磁极的径向排列常常用在中、大型永磁发电机上。

图2-2 永磁发电机的永磁体磁极径向排列与切向排列

1—定子 2—永磁体 3—转子 4—非磁性材料 5—磁极

2）图2-2b所示为永磁发电机的永磁体磁极切向排列结构图。永磁体磁极切向排列是永磁体磁极并联，可以充分利用永磁体两个磁极的磁通。永磁体磁极切向排列是两个永磁体的相同磁极通过磁导率很高的材料组成一个共同的磁极，这个共同的磁极的磁面的磁感应强度比单个永磁体磁极表面的磁感应强度大得多，但不会达到永磁体极面磁感应强度的2倍，在有很好的非磁性材料阻碍N极、S极磁通短路及两个同性磁极的极面积与极靴极面积相等的情况下，只能比单个永磁体磁极表面的磁感应强度大20%～40%，这主要是由于漏磁太大。(www.xing528.com)

永磁体磁极的切向布置，由于永磁体埋在转子的铁心中，因此不易对永磁体实现有效的冷却。切向排列的永磁体安装困难，必须有专用工具。永磁体磁极的切向排列适用于中、小型永磁发电机。

永磁体磁极的切向排列的永磁发电机结构复杂，且必须有非磁性材料对永磁体的N极、S极进行有效的隔磁，因此，大型永磁发电机很少采用这种结构形式。

径向排列永磁体磁极的永磁发电机结构简单，易于实现对永磁体的有效冷却，容易实现60极、72极、84极等多极低转速，深受风电机组制造商的青睐。笔者采用自己的专利技术，用外径327mm、内径230mm的定子做成了30极3kW、5kW、7.5kW、10kW的永磁体磁极径向布置的永磁发电机；利用外径590mm、内径445mm的定子做成了36极40kW、60kW、80kW的永磁体磁极径向布置的永磁发电机及用外径1430mm、内径1250mm的定子设计成60极双层850kW和用外径1730mm、内径1590mm的定子设计成60极双层2MW的永磁体磁极径向布置的永磁发电机。

（3）永磁体磁极轴向排列的盘式永磁发电机

永磁体磁极最合理、最科学、成本最低的布置是永磁体两个磁面同时利用。盘式永磁发电机就是永磁体两个极面同时利用的发电机。盘式永磁发电机的结构如图2-3所示。转子由非磁性材料制成，永磁体多块按轴向布置镶在转子上。定子由磁导率很高的材料组成且绕组分布在定子槽内。定子和转子可以是多层结构，永磁体的两个极面同时利用，由于定子绕组多层都是相同的，绕组可以串联，也可以并联。绕组也可以做成印制电路。盘式永磁发电机永磁体磁极两面利用，科学合理，结构简单，永磁体充分利用，整机重量轻，效率高，节省材料，可以实现径向强迫风冷，永磁体能得到有效冷却，使发电机运行可靠。

（4）永磁直流发电机

永磁直流发电机的永磁体磁极往往径向布置在定子上，而转子有绕组并设有换向铜头及电刷。当转子转动时由换向铜头及电刷将电流都变换到同一方向——输出直流电。这种发电机目前很少生产，因为这种永磁发电机结构复杂，故障率也高，不如永磁交流发电机输出交流经整流变成直流方便、可靠。

图2-3 永磁体轴向排列的盘式永磁发电机结构

1—冷却风道 2—转子（镶永磁体） 3—定子及绕组 4—机壳 5—主轴

（5）磁电机

磁电机也是一种永磁发电机，常用在摩托车点火线圈供电及为蓄电池充电。

（6）其他永磁发电机

比如手摇应急永磁发电机；商店门前的脚踏永磁发电机等。