永磁同步发电机的结构设计

图3-6 永磁发电机的结构

1.整体结构

永磁同步发电机本体由定子和转子两大部分组成，如图3-6所示，定子是指发电机在运行时的固定部分，主要由硅钢片、三相形联结的对称分布在定子槽中彼此相差120°电角度的电枢绕组、固定铁心的机壳及端盖等部分组成。转子是指发电机运行时的旋转部分，通常由转子铁心、永磁体磁钢、套环和转子转轴组成。永磁材料，尤其是钴永磁材料的抗拉强度低，质硬而脆。如果转子上无防护措施，当发电机转子直径较大或高速运行时，转子表面所承受的离心力已接近甚至超过永磁材料的抗拉强度，将使永磁体出现破坏，所以高速运行的永磁同步发电机多选用套环式转子结构。所谓套环式转子结构，就是通过一个高强度的金属材料制成的薄壁圆环紧紧地套在转子外圆或内圆处，通过套环把电机转子上的永磁体磁钢、软铁极靴都固定在相应的位置上。这样，永磁同步发电机的转子像一个完整的实心体，保证了高速运行时的可靠性。

2.转子的磁路结构与嵌入式一体化结构

永磁同步发电机的结构特点主要表现在转子上，通常，按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，可分为切向式和径向式等。

（1）切向式转子磁路的结构

在切向式转子磁路结构中，转子的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比较大。但永磁体产生并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此，切向式适合于极数多且要求气隙磁通密度高的永磁同步发电机。永磁体和极靴的固定方式采用套环式结构，如图3-7所示。

（2）径向式转子磁路的结构

径向式转子磁路结构如图3-8所示，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，在一对磁极的磁路中，有两个永磁体提供磁动势，永磁体工作于串联状态，每块永磁体的截面提供发电机每极气隙磁通，每块永磁体的磁势提供发电机一个极的磁势。(www.xing528.com)

图3-7 切向式转子磁路结构示意图

1—极靴 2—套环 3—垫片 4—永磁体 5—转轴

图3-8 径向式转子磁路结构示意图

1—极靴 2—套环 3—垫片 4—永磁体 5—转轴

与切向式转子结构相比，径向式转子磁路结构的漏磁系数较小。而且，在这种结构中，由于永磁体直接面对气隙，且永磁体具有磁场定向性，因此这种结构中气隙磁感应强度B_δ接近于永磁体工作点的磁感应强度B_M，提高了永磁材料的利用率；径向式转子结构的永磁体可以直接烧铸或黏结在发电机转轴上，结构和工艺较为简单；极间采用铝合金烧铸，保证了转子结构的整体性且起到阻尼作用，既可改善发电机的瞬态性能，又提高了永磁材料的抗去磁能力。

（3）转子嵌入式一体化结构

目前，传统发电机组的发动机、发电机是相对独立的。发动机曲轴有前后两端，位于发动机两端；前端装有飞轮，外装启动拉盘；后端是输出驱动，通常用作与发电机的连接。而在高速发电机组中，发电机既用来产生电能，又通过转动惯量计算使其转子转动惯量等于飞轮转动惯量，从而用其转子取代原动机的飞轮，使其成为原动机的一部分，实现了“高速发电机嵌入式一体化结构”。这样，既可大大减小机组轴向尺寸和重量，也从根本上实现了发电机组冷热区的分离，有利于机组散热问题的解决，又减少了机件个数，提高了系统的可靠性。