确定永磁体磁极气隙磁密的方法及意义

永磁体磁极的气隙磁密受到发电机的电流大小，温升高低，永磁体的温度系数，永磁体的剩磁、矫顽力、磁能积，永磁体的形状、尺寸，永磁体的布置等多种因素的影响。因此，永磁发电机中永磁体磁极的气隙磁密是一个很复杂的参数，但又是永磁发电机设计时必须确定的参数之一。

设计小功率的永磁发电机，对于永磁体磁极气隙的计算、确定还是比较容易的。因为小功率的永磁发电机的功率只有几kW、十几kW、几十kW，其电压几十V，三相380V，电流也只有几A、十几A、几十A，只要有可靠的冷却，即使是几十A的交流电流对永磁体的磁综合性能影响有限，永磁发电机会可靠地运行。

但对于中、大型永磁发电机，其功率几百kW、几MW，电流几百A、甚至kA以上。在这种工况下，即使有可靠的冷却保持永磁体稳定的温升，但几百A、甚至几kA的交流电流会对永磁体充磁、退磁起到很大作用。永磁发电机中的永磁体在这种工况下，永磁体的工作点会沿着退磁曲线下移很多且是反复地下移再恢复，永磁发电机功率会下降。这也是目前国内外中、大型永磁发电机共同存在的问题。

笔者经30余年对永磁体及永磁发电机的研究认为，对于中、大型永磁发电机应采取高电压、低电流的设计方案，它是解决中、大型永磁发电机功率下降的较好的措施，同时也会降低铜损耗。

为了更客观、实际地确定永磁发电机中永磁体磁极的气隙磁密，经理论计算后决定了气隙磁密、永磁体磁极的布置、永磁体的几何形状、永磁体的材质及牌号等之后，再按设计计算所确定的永磁体做几个样块，实际测量永磁体磁极的磁感应强度B_m，检查设计计算的气隙与实际测得的磁感应强度相差多少，然后再对设计的某些参数进行修正，或对某些参数进行调整后再重新设计计算。

为更准确地确定气隙，应将永磁体的几个样块模拟设计的磁路做成磁路，实际测得永磁发电机磁极气隙磁密。

由于永磁体的材质、形状的不同，其磁感应强度也不同，即使是同一材质、同一工艺制造，只要永磁体的几何形状不同，那么它们的磁感应强度也不同。永磁体只有在材料相同、制造工艺及充磁相同，并且几何形状相同的情况下才具有相似性。这是相似性的唯一充要条件。否则，永磁体不具有相似性，或者说，永磁发电机不像励磁发电机那样具有相似性。

计算举例(www.xing528.com)

30极10kW 380V三相永磁发电机的永磁体磁极为径向布置，如图4_-20所示。b_p′=13.6mm，截面为梯形的永磁体，a_m=12mm，C_m=15mm，极面长b_m=50mm。永磁体为N445H，剩磁B_r=1.3T，气隙δ=0.8mm。实测样块C_m面的磁感应强度为B_mc=0.45T，实测a_m面的磁感应强度为B_ma=0.56T。安装在槽内后的磁极的磁感应强度为B_m=0.4963T。3块b_m=50mm拼接成L_ef=150mm的磁极。

图4-20 径向布置的永磁体气隙磁密与磁弧长度

按理论计算：

h_m/a_m=1，查表4-2得K_m=1。

将计算极弧长度b_p′=13.6mm修改为b_p′=13mm，Δ=0.5mm，此时极弧的磁感强度B_m=0.54T×12÷13=0.4985T。

计算结果与实际测量的误差为0.44%。