高速永磁同步发电机设计研究毕业设计.doc

湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书题 目： 高速永磁同步发电机设计研究 专业班级： 电气工程1183 学生姓名： 欧阳贝尔 学 号： 201113010323 完成日期： 2015年6月5日 指导教师： 谢卫才 评阅教师： 谢卫才 2012年6月 湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺和声明：所撰写的高速永磁同步发电机设计研究是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。设计(论文)的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 高速永磁同步发电机设计研究 姓名 欧阳贝尔 系别电气信息专业 电气工程及其自动化班级 1183 学号 23 指导老师 谢 卫 才 教研室主任 谢 卫 才 一 基本任务及要求： 高速永磁同步发电机在发电领域有重要的用途。通过毕业设计要求学生熟 悉及掌握该技术领域的相关知识，主要的设计内容如下：1掌握各种高速永磁同步发电机性能及应用;2掌握高速永磁同步发电机基本原理及特性;3分析、比较高速永磁同步发电机结构及特征;4完成一高速永磁同步发电机的电磁设计; 5完成一高速永磁同步发电机结构设计。二 进度安排及完成时间：3月1日3月20日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月21日：查文献综述、开题报告撰写情况3月23日4月5日：毕业实习、撰写实习报告4月6日5月29日：毕业设计4月底：毕业设计中期抽查5月30日6月10日：撰写毕业设计说明书6月10日6月15日：毕业设计答辩目录摘要1Abstract2第1章 绪论31.1 概述31.2 永磁电机的发展31.2.1 永磁材料的发展近况31.2.2 周边技术的发展41.2.3 永磁电机的最新发展动向51.3 永磁发电机的主要特点及运用6第2章 永磁发电机的基本知识82.1 概述82.2 高速永磁发电机的结构82.2.1 高速永磁发电机的结构特点82.2.2 转子结构的选取112.3 高速永磁同步发电机的性能、参数和特性112.3.1 电抗参数和矢量图122.3.2 外特性和电压调整率132.3.3 短路特性142.3.4 功角特性142.3.5 损耗与效率15第3章 高速永磁同步发电机设计163.1 电磁设计163.1.1 转子结构的选择163.1.2 发电机大体尺寸和高速永磁体的确定173.2 转子漏磁导计算203.2.1 基本概念203.2.2 径向结构转子漏磁导计算21第4章 电机计算与磁场分析244.1 计算程序及算例244.2 方案对比354.2.1 改变长径比的影响；354.2.2 改变极弧系数的影响；384.2.3 改变气隙长度的影响；40结论43参考文献44摘要高速发电机一般是指转速超过10000转/分的发电机。永磁同步发电机跟感应式发电机相比较，采用永磁体励磁，不需要励磁电流，可以显著提高功率因素，减小励磁绕组的损耗。而且由于高速永磁同步发电机具有体积小、重量轻、效率高等优点，现已成为新一代航空、航天、航海用电机的重要发展方向。尤其是近年来，随着新型永磁材料的不断涌现和永磁材料性能的提高，高速永磁同步发电机的研究越来越受到人们的关注。 本文首先从永磁发电机的基本原理着手，系统地分析其设计的各种理论和计算。重点阐述了定转子结构、稳态性能及损耗等，尤其是对此发电机工作的高温、高转速的特殊环境进行了研究，此外，还对永磁体的估算进行了说明。然后利用已有的计算公式，设计出满足要求的径向式永磁同步发电机，完成几组径向式永磁发电机的算例，对其中改动部分所引起的性能变化进行分析，指出其优、缺点，并确定出最佳方案。最后，再对已有电机的实体的实验结果进行分析对照，作出结论。关键词永磁同步发电机 高速；AbstractGenerally, Exceedable high-speed generators always have a speed over 10000rpm, it is advantage comparisons between permanent synchronous generators and induction generators that it doesnt need reduce exciting winding loss.The permanent generators have the merit with little weight high efficientyand good characteristic and so on,so the permanent generators are wildly used in the new generation of aviation ,spaceflight and navigation.The study of permanent generators are attached by the people with the development of permanent magnet materially specially in several recent years. The principle of generators is introduced at first in article.Second,its analyzed that all kinds of theory and calculation involved in the article expounds the stator and rotor constuction,steady state function and loss.The generators are especially studied and thought in the conditions of high temperature and high rotate speed.Furthermore the permanent magnet estimating is shown.After that desiging radial generators use the excited formula.Then use the software “ANSOFT” to develop the generators performance.At last,it elects the best scheme to design the generator and draw a conclusion.Keywordspermanent synchronous generator high rotate speed ；第1章 绪论1.1 概述永磁电机的发展历史最长，1821年出现的世界上第一台电机就是永磁电机，但当时所用永磁体的磁能积很低，制成的电机体积庞大而容量很小，不久被电励电机所取代。但是永磁电机在近20年来，无论是在电机容量上，还是在性能以及新品种的开发方面都有新的突破。高速永磁电机是70年代初期出现的新型永磁电机，由于高速永磁材料的高磁能积和高矫顽力（特别是高内禀矫顽力），使得高速永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点，成为新一代航空、航天、航海用电机的重要发展方向。永磁材料最近十年发展很快，尤其是1983年第三代高速永磁体铷铁硼（NdFeB）的出现，其优越的磁性能和相对较低的价格，展示出高速永磁体电机民用开发的广阔前景，现在高速永磁电机已经在航空航天多种型号中得到成功的应用。高速永磁同步发电机在运行过程中,由于取消了全套转子绕线,使其能有效地消除在运行过程中由励磁绕组引起的铜耗,降低发电机工作升温,提高发电机工作效率。高速永磁同步发电机具有高效、节能、结构简单、维修方便等特点。与同重量的励磁发电机相比,其单位重量发电机输出功率可增加40%以上。而其良好的负载性能,不论是“电感性、电容性负载,还是电阻性负载”,其电压波形与空载基本一致,几乎无失真,克服了电励磁发电机带负载后波形会产生畸变的不足。采用高速永磁材料以后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值。这些都可以缩小电机体积，减轻重量，提高功率质量比。因而现代航空、航天用电机几乎全部采用高速永磁发电机。1.2 永磁电机的发展1.2.1 永磁材料的发展近况 永磁电机的发展与永磁材料的研究密切相关。1983年,日本住友公司推出第3代高能NdFeB高速永磁后,各国竞相研制,发展很快。原先采用其它永磁材料的电机几乎都可以采用这种新型高速永磁进行重新设计,以求得更好的技术经济指标。最早的商用永磁材料是烧结A1NiCo合金和浇注A1NiCo合金,现在这种材料的使用量已经逐渐减少。这种材料最大的缺点是矫顽磁力Hc较低,因此很容易受到外部磁场作用而退磁。烧结铁氧体永磁材料其最大磁能积(BH)max可达5.4MGOe,出现在50年代,是目前永磁材料中用量最大,产值最高,价格最低的产品。其优点是价廉、耐腐蚀、磁化能力强、温度稳定性好(使用温度高达250),由于铁氧体是一种绝缘材料,所以这种材料制成的电机中,由交变磁场引起的转子铁损并不大。60年代出现了钐钴系列的高速永磁材料。第一代高速永磁即以SmCo5为代表,(BH)max可达20MGOe,随后又出现了以Sm2Co17为代表的第2代高速永磁材料,(BH)max可达25MGOe以上。其优点是使用温度高(可在250以上),耐腐蚀性强,强于NdFeB。其缺点是价格昂贵且机械强度高,容易碎裂。烧结NdFeB是目前磁性最强的永磁材料,(BH)max理论值可高达64MGOe,(BH)max为40MGOe的产品已正式投入生产。它是当前发展最快、市场前景最好的永磁材料。烧结NdFeB的剩磁感应强度适中,矫顽力很高,但其价格较低,是钐钴类永磁的1/41/3,这也是它得到快速发展的原因。除上述优点之外,NdFeB永磁也有其弱点:居里点低、温度稳定性差,在高温运行时容易产生不可逆退磁,而且由于这种合金中含有铁元素,所以较易生锈,耐腐蚀性差。这些弱点影响和限制了其使用范围,所以在高温、多湿、辐射线等特殊环境下,最好使用钐钴磁铁。因此改善NdFeB永磁的热稳定性和提高其防氧化能力成为这种永磁材料现期研究的主要内容。除了烧结NdFeB之外,90年代发展较快的还有粘结NdFeB,它的发展势头已超过了前者。虽然粘结NdFeB的最大磁能积只有前者的三分之一,但其机械性能好,密度小,能制成壁薄、形状复杂、尺寸精度高的产品。我国高速永磁的开发和应用始于70年代,目前在粘结高速永磁的研究上同国外还存在一些差距,主要表现在:批量生产的磁性偏低,粘结NdFeB的(仅为810MGOe)磁体使用温度偏低,未开发出各向异性的粘结磁体,应用设计与研究开展较少。1.2.2 周边技术的发展充磁技术的发展由于大功率半导体器件的出现，使得大电流脉冲充磁技术获得长足的进步。这种高矫顽力材料容易被充分磁化。装配技术由于高矫顽力材料NdFeB永磁材料的单块磁体在开路状态下不容易失磁，于是在制造、装配时容易处理。解析技术在永磁电机磁路设计计算中，采用FEM和模糊优化技术，可以进一步精确计算漏磁和参数，从而获得最佳永磁磁路设计。控制技术先进的控制理论及矢量控制技术加上大功率多功能模块（IGBT,IPM）的出现，使得永磁电机的新品种不断涌现，从而更加拓宽了永磁电机的应用领域。1.2.3 永磁电机的最新发展动向 大功率，高转速 由于耐高温，高矫顽力的新型永磁材料不断出现，使得永磁电机不怕退磁，再加上具有高速开关速度的功率元件IGBT的实用化，从而变速驱动电源可以实现大容量化。这种电机多为轴向气隙，圆盘结构，定、转子由多段组成。目前这种电机可以做到数百千瓦，转速为10000-30000r/min 大转矩，低转速 如德国西门子公司研制的船用推进器无刷永磁直流电动机，磁极采用钐钴永磁体，其容量为1095KW，转速230r/min,额定转矩为45KNm,比普通直流电动机的体积减小60%左右 耐高温永磁同步电机这种电机在200-300高温环境下工作，永磁体采用耐高温的钐钴永磁材料（Sm2Cos），电机绕组采用陶瓷或者玻璃纤维进行绝缘处理，轴承采用陶瓷轴承，并采用固体润滑脂，这种电机用在宇宙航空机械中。 电动汽车电机 为了解决能源危机和大气污染问题，目前世界上都在研究开发电动汽车，日本东芝公司开发的电动汽车不仅可以替代内燃机电动机，还可以兼做发电机，该电机额定容量6.8KW，转速为1283r/min，最大容量为25KW。另外还有一些别的发展方向例如超微型电机，机电一体化电机，智能电机，磁力耦合器等等，因其不常见，所以就不细述了。我国的永磁电机的开发与应用始于70年代，现在与国外先进水品相比有一定的差距。我国高速资源丰富，产量居世界首位，其产量的2/3用于出口，国内销售的1/3中用于电机的比例很低，但是相信随着我国磁性材料工业的发展、工业自动化程度的提高，永磁电机还具有大量需求的潜力，市场极其广阔。1.3 永磁发电机的主要特点及运用高速永磁同步电机的工作原理与电磁式和普通永磁式直流电机并无不同。但是由于采用了高性能的高速永磁材料，所以具有以下优点：1.实心转子适应高速运行，具有很高的功率密度高速永磁发电机由高能积高速永磁体励磁，转子直径可以做得很小。而却外设紧圈，类似于一台实心转子电机，极适应于高速运行，所以这一类电机的功率密度很高。美国西屋公司制成的一台100KW的高速永磁同步发电机，额定转速达到60000r/min,重量仅有40.8KG，直径为20cm,长度为39cm,功率密度达到2.45kw/kg。 2.高效率高速永磁发电机的高效率是由于转子不设励磁绕组，没有励磁损耗和电刷环间的摩擦，接触损耗。另外，在设置紧圈的情况下，表面光滑，风阻小，与凸极式交流同步发电机相比，同等功率下的永磁发电机的总损耗大约要小1015。美国通用电气公司研制的一台150KW，切向磁化结构的高速永磁航空起动/发电机，在12000r/min状态下满载运行时，效率达到94（功率因数为0.95）而在21000r/min下满载运行时效率仍可以保持在89.2。高速永磁发电机不仅效率高，而且其高效率段比较宽。在负载变化范围比较大时仍能保持较高的效率，这是因为常规绕线式同步发电机当负载增大时，阻抗电压和电枢反应的影响大，端电压下降得厉害。为了保持发电机端电压恒定，智能增加励磁电流来提高气隙磁感应强度。这样就使得铁损耗和励磁铜耗明显增大，而高速永磁发电机由于高速永磁体高内禀矫顽力的特点，使得电枢反应的影响很小，负载变化时，气隙磁感应强度变化很小，铁耗便可以作为一个不变参数来看。 3.高可靠性 高速永磁同步发电机转子上没有励磁绕组，轴上也不需要安装滑环。因为没有绕线转子发电机上存在的励磁短路、断路、绝缘损坏、电刷滑环接触不良等一系列故障因数。另外，也正是由于永磁体励磁，使高速永磁发电机的零件数目也少于一般绕线转子发电机。美国通用公司150kw高速用的发电机的总零部件数为87件，而若采用绕线转子结构则需要117件零部件。另外，高速永磁材料的矫顽力高，剩磁大，因而可产生很大的气隙磁通，大大地缩小了永磁转子外径，从而减小转子地转动惯量，降低时间常数，改善电机地动态性能。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应产生的力矩波动，也可以抑制电枢反应对力矩波动的影响。还有，高速永磁材料的去磁曲线是线性、可逆的，该特性给高速永磁电机的工作点计算带来方便，简化了磁路设计和磁场分析。除此之外，高速永磁发电机还具有结构简单、可靠性高、适合于恶劣环境下工作、无电磁干扰等优点。当然，除了上述优点，高速永磁发电机也存在明显的缺点：第一、由于高速永磁体的高内禀矫顽力，使得其磁场无法调节，所以当负载转速变化的时候，这类发电机保持恒压是比较困难的； 第二、绕线转子发电机一旦发生故障时，可以保证在30ms内把励磁切断，而高速永磁发电机没有这种能力。在飞机上，高速永磁发电机一旦短路，必须有一套灵巧的电动断开装置来保证于发电机脱扣。但是这套装置需要30多个比较复杂而且高精度的零件来组成，特别是对大容量航空高速永磁发电机，保证在30ms内发电机脱扣，困难较大；第三、由于高速永磁材料的制造工艺落后，好的材料价格较高，所以高速永磁发电机造价较高。永磁同步发电机由于具有上述特点，广泛地运用于飞机、导弹体统内，通常是利用排泄燃气来进行发电，再对机体进行供电。不但节省了能源 ，而且减少了飞机导弹的重量，从而保证了飞机导弹的精密度。另外，永磁同步发电机由于其高效率和高可靠性，在汽车、制造等多个行业也得到巨大的利用。第2章 永磁发电机的基本知识根据机电能量转换原理，永磁电动机都可以作为永磁发电机运行。但是由于发电机和电动机两种运行状态下对电机的性能要求不同，它们的磁路结构、参数分析和运行性能计算既有相似之处，又有许多特点。2.1 概述 永磁发电机具有很多优点，由于省去了励磁绕组和容易出现问题的集电环和电刷，结构比较简单，加工和装配费用比较少，运行更为可靠。采用高速永磁后可以增大气隙磁密，并把电机转速提到到最佳值，从而显著得缩小电机体积，提高功率质量比；由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高；处于直轴磁路中得永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率也比电励磁同步发电机小。 永磁发电机的缺点是：制成后难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数；由于永磁材料和加工工艺的分散性，导致电机的输出电压分散，偏离额定电压；采用高速永磁后，目前价格仍较贵。随着电力电子器件性能价格比的不断提高，目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压，上述缺点可以得以弥补。永磁发电机的应用领域广阔，功率大的如航空，航天用主发电机、大型火电站用副励磁机，功率小的如电动汽车、拖拉机用发电机、风力发电机、小型水力发电机、小型内燃机发电机组等都广泛使用各种类型的永磁发电机。2.2 高速永磁发电机的结构2.2.1 高速永磁发电机的结构特点由于高速永磁体的高矫顽力（特别是高内禀矫顽力），使其磁化方向的厚度一般都比较小，永磁体做得很薄。常见的高速永磁同步发电机的转子结构有三种：径向磁化结构、切向磁化结构及轴向磁化结构（图2-1）。另外还有比较少见的星形转子、圆柱形转子，爪极形转子等等。 图2-1 三种转子结构在实际应用中，常以径向磁化结构和切向磁化结构为多。下面简要说明这三种结构的主要区别。 激磁磁势和磁通。径向磁化结构中的高速永磁体工作于串连状态，每块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，每块永磁体的磁势提供发电机的一个极的磁势。在径向磁化结构中，永磁体直接面对气隙，由于高速永磁优越的定向性，所以这种结构中气隙磁感应强度B接近永磁体工作点的磁感应强度BM，若不计漏磁，其等效结构如图2-2（a）所示。切向磁化结构中，永磁体呈并联状态工作，由两块高速永磁体提供发电机的每极磁通；每块高速永磁体的磁势提供每对极磁势，若不计漏磁，其等效磁路如图2-2（b）所示。很明显，这种结构实际上也是一种简单的聚磁结构，所以能够提高发电机的气隙磁感应强度，往往可以做到B> BM。漏磁。由于高速永磁体具有很强的定向性，对于径向磁化结构来说，磁体面对气隙，漏磁通较小，漏磁系数可做到1.05-1.12。然而在切向结构中，由于高速永磁体磁化方向与气隙长度方向（径向）相垂直，而且永磁体极面离气隙较远，加上永磁体底面经非磁性轭部的漏磁，使其转子漏磁导与气隙磁导相比较不能忽略，漏磁系数增大，一般在1.2-1.35之间，这就减小了有效磁通的比例。从工艺上看来，径向结构具有较大优势，因为这时磁轭是一个整块导磁体，工艺实现比较方便；而切向结构需在磁极和转轴之间安装非磁性轭，使转子成为积木式结构，加工的零件多，装配也比较困难，这种转子的加工程序为磁轭套与非导磁套焊接开槽安放永磁体压紧圈，如图2-3所示。 图2-2 等效磁路图 图2-3 切向结构转子加工紧圈。由于高速永磁体质硬而脆，其抗拉强度低，当发电机高速运转时，为保护高速永磁体免受离心力的作用而损坏，一般都需要在其转子表面加一个紧圈。紧圈能保证其在发电机的整个转速范围内，使被其包容部分始终处于受压状态，这时转子类似于实心结构。紧圈可分为双金属紧圈和单一非导磁紧圈两种。双金属圈由磁性金属材料交替焊接而成。磁性材料段对准永磁体（图2-1(a)中剖面部分），这样使紧圈安置不增加发电机气隙长度，其缺点是它的结构和工艺都比较单一非导磁圈（图2-1(b)）复杂，制造比较困难。对两种金属材料要求其机械强度及热膨胀系数尽可能地匹配，且要求电阻率高。紧圈的焊接采用电子束或激光焊较好，焊区窄、受热范围小、焊缝强度高。单一非导磁紧圈的优点是结构简单，制造方便；缺点是紧圈本身增加了等效气隙长度，从而影响电机性能，增大永磁体用量，但对减小转子表面损耗是有利的。紧圈的应力可用下式计算： (21)式中 最高转速下紧圈本身产生的应力；紧圈内半径；紧圈厚度；被包容部分作用于紧圈的压力。对切向磁化结构转子的小功率或者中、低转速的高速永磁发电机，也可以不用紧圈而采用槽楔式结构。爪极式转子如图2-1(c)所示，其高速永磁体为圆环形，是一种轴向结构，磁通走向为永磁体N一个爪极气隙定子气隙另一爪极永磁体S，从而在爪极圆柱表面上形成N，S相间的极性。当转子旋转时，就在定子电枢绕组中感应出交变电势。高速永磁体由于矫顽力较高，故圆环形永磁体做得薄，为保证磁路的轴向长度，需用磁轭衬垫。爪极结构容易做成多极，使用结构比较复杂，故电机功率密度较低。另外，爪极抗离心力的能力差，故一般不适合高转速、大容量发电机。2.2.2 转子结构的选取在实际应用中选用何种转子结构形式，应根据具体应用环境而定。一般说，多极、高速、大容量的高速永磁发电机，以切向磁化结构居多；而对于小容量、极数较少的场合，则以径向磁化结构较合适。因为不同的转子结构常常带来高速永磁发电机某些性能上的差异和不同的造价，所以在选择高速永磁发电机转子结构的时候，应该认真分析应用环境、性能要求、制造价格、体积重量等多种因素。结合国内外的应用实例，综合有关资料，再说明以下几点：高速永磁发电机的单位体积输出大致上与气隙磁感应强度的平方成正比，从这个意义上说，切向磁化结构的高速永磁电机优于径向磁化结构。但应该考虑到，由于切向磁化结构的漏磁比较大，单位体积的输出有所下降，漏磁还影响到气隙磁感应强度，也使得输出减小先后。美国本迪克斯公司曾先后研制多种高速永磁航空同步发电机，转子直径为3.8-7.6cm，额定转速为1500-6000r/min,极对数为4-10，最大设计转速为18000-72000r/min，套环应力达到4962-9287kg/cm²。分析结果表明，在转速范围宽、大气隙、大转子直径的情况下，径向结构可提供较大的输出；但是，对于恒定转速或者速度范围变换较小的高速永磁发电机，则切向结构能给出较大的输出。对大功率发电机，切向结构较多。而对大功率发电机或者高转速高速用的发电机，多采用双金属紧圈。2.3 高速永磁同步发电机的性能、参数和特性高速永磁同步发电机与电励磁发电机之间的主要区别在于电机励磁回路中有高速永磁体存在。永磁体在永磁电机中主要有以下两个作用。第一，作为发电机的励磁源。用高速永磁体励磁，使得它对外磁路提供的磁势和磁通可随着外磁路的磁导和电枢反应磁势在小范围内变化，并可由此引起漏磁通的变化，从而影响电枢绕组的感应电势。第二，构成较大绕组的磁路段。由于高速永磁体的磁导率与空气磁导率相接近，在电机磁路中对直轴电枢反应磁势来说是一个很大的磁阻，因此，电枢反应磁场被削弱，并且除通过永磁体外，还有相当一部分不得不沿着漏磁路径闭合。这就决定了高速永磁电机直轴电枢反应电抗比电励磁电机的直轴电枢反应电抗小。由于高速永磁材料磁性能很高，而且磁导率又很小，这就使上两个特点更加突出，从而使得高速永磁同步在性能、参数、特性、电压调节及电磁设计方法等方面出现了不少特点。2.3.1 电抗参数和矢量图电抗参数对同步发电机的性能和特性影响很大。电抗之间有如下关系： (22)式中 Xad直轴电枢反应感抗； Xaq交轴电枢反应电抗； Xd直轴同步电抗； Xq交轴同步电抗； Xa漏抗。直轴电枢反应电抗是指单位直轴电流在直轴磁路产生的交变磁链在电枢绕组中感应电势的大小。其他电抗的物理意义与其类似。从电抗的物理意义出发，根据高速永磁发电机的磁炉特点，其电抗参数与电励磁同步发电机有两点重要区别。由于高速永磁体的磁导率低，且它又是磁路的一部分，所以高速永磁同步发电机的电枢反应电抗Xad、Xaq比电励磁发电机的小。对电励磁凸极同步发电机，一般有Xad >Xaq，这是因为直轴磁路磁导总是大于交轴磁路磁导。从对高速永磁发电机分析可知，对于径向磁化结构的电机，直轴磁路磁导和交轴磁路磁导近似相等，即Xad Xaq，而对切向磁化结构的发电机，其直轴磁导小于交轴磁导，因此Xad Xaq。根据电抗参数可以画出高速永磁同步发电机不饱和矢量如图24所示。它的基本规律与电励磁同步发电机相同，但由于Xad 小于或接近等于Xaq，所以Id Xad /Iq Xaq (Id为直轴电流，Iq为交轴电流)将小于电励磁同步发电机。图2-4 不饱和矢量图其电势平衡方程式为： (23)式中 相电势； 相电压； 相电流。2.3.2 外特性和电压调整率同步发电机在负载变化时，由于漏阻抗压降和电枢反应的作用，使端电压发生变化。对永磁同步发电机，漏阻抗压降的作用与电励磁电机是相同的，差别较大的是电枢反应的影响。同步发电机常为感性负载，其电枢反应是去磁的，端电压将随负载增加而下降；漏阻抗压降随负载增加而增加，它的作用也使端电压下降，因此外特性是下降的。高速永磁发电机的电枢反应去磁作用要比电励磁电机小，因此其外特性比电励磁电机下降得小，电压变化率也就比电励磁电机小，下图2-5中定性地画出了两种发电机的外特性。图中实线为高速永磁发电机的外特性；虚线为电励磁发电机的外特性。图2-5 外特性2.3.3 短路特性同步发电机的稳态短路电流Ik和超瞬态短路电流Ik可以用下列公式近似计算 (24)而 (25)式中 超瞬态直轴同步电抗；励磁绕组漏电抗； 直轴阻尼绕组漏电抗。由于高速永磁同步反弹机的Xd 电励磁同步发电机小，故其稳态短路电流就要大。高速永磁同步发电机的Xf 正比于永磁体的漏磁导，当漏磁系数增大时，Xf增大，超瞬态电流Id 减小。一般切向结构较径向结构漏磁系数大，切向结构超瞬态电流Id较径向结构超瞬态电流小。当电机无阻尼绕组时，Xzd 为，直轴瞬态同步电抗为： (26)式中 2.3.4 功角特性一般，凸机同步发电机的电磁功率表示为： (27)式中 对于径向磁化结构的高速永磁发电机，由于高速永磁体的磁导率接近于空气磁导率（一般为1.05-1.10），故可以作为一种隐极式结构，XqXd,其功角特性曲线如下图2-6中1所示；对于切向磁化结构的高速永磁同步发电机来说，常有Xq>Xd,，则上述公式中，右边第二项将是负值，最大电磁功率Pmax 的功率角可能大于/2，其功角特性也如下图中2所示；曲线3是电励磁凸机同步发电机。可以看出，在输出同样功率的时候，高速永磁同步发电机的功角比较大，发电机稳定性差。图2-6 功角特性2.3.5 损耗与效率前文提到，高效率是高速永磁同步发电机的一大优点，这是在同等条件下与电励磁同步发电机比较而言的。高速永磁同步发电机的高效率，可以归纳为以下各项原因：无励磁损耗和电刷滑环摩擦损耗；转子表面光滑，使发电机旋转时的风阻损耗大为降低； 当发电机负载增大时，高速永磁发电机铁损耗可以近似看做是不变的，电励磁发电机外特性软，随着负载的增大，必须同时增加其气隙磁通量，方能保持电压不变，故铁损耗也相应增大，效率降低。第3章 高速永磁同步发电机设计高速永磁同步发电机与电励磁同步发电机比较，在电磁设计方面有以下一些差别：首先要根据技术要求，选择合适的高速永磁转子结构和高速永磁材料；对高速永磁同步发电机不需要设计计算励磁绕组，但要计算和确定永磁体的体积、尺寸和工作点；高速永磁同步发电机的参数计算和校核，可以借助永磁体工作图进行；在某些设计参数的选择和特性计算上，高速永磁同步发电机往往与所选用的永磁材料和转子结构形式有关。对高速永磁同步发电机的技术要求一般包括有：额定功率PN；相数m；额定相电压UN；额定频率f；额定转速nN； 功率因数cos；工作制；防护等级；冷却方式。有时候还会有其他的一些要求，比如工作环境温度，绕组联接方式，体积重量的限制，成本的考虑等。对于航空航天用电机还要提出环境和抗震动、冲击等要求。3.1 电磁设计3.1.1 转子结构的选择一般来说，对功率较小的高速永磁发电机（功率几千瓦），转子宜采用径向结构，因为其漏磁比较小，工艺简单。对功率较大的发电机转子多采用切向结构，因为它是一种聚磁结构，便于提高电机的磁负荷，对极数较多的电机转子，采用切向结构也较易实现。考虑到本设计中的给定参数，功率为5KW，极对数p2，航空航天用小型发电机，短时工作3-5min，再考虑到加工方便，最后转子选取径向式结构。3.1.2 发电机大体尺寸和高速永磁体的确定电机设计中有一个重要公式，通过它我们可以确定电机主要尺寸（电枢内径D和电枢铁心长度L）： (31)式中，除电、磁负荷（A，B）外，其它参数或是技术要求给定的（如计算电磁功率P和转速n），或是变化范围不大的（如计算极弧系数i、磁场波形系数KB和电枢基波绕组系数Kw1）,所以D²L的大小主要取决于A和B值的大小。但对高速永磁电机A和B值大小的确定与高速永磁体的结构、尺寸、性能及磁能利用程度等有密切关系。又因为有公式 (32)代入公式（31）中，可估算出电枢内径D： (33)其中有两种方法进行大概的确定，一种是先预估出永磁体的体积尺寸，得到额定负载时永磁体应向一对极外磁路提供的磁势Fm,然后得到每极气隙磁通；另一种是通过公式 (34)其中ECiUN,Ci是略大于1的系数，与电压调整率有关。电枢内径确定之后，再选取合适的长径比，发电机的大体尺寸都可以确定了，比如电枢长L（同时也是永磁体轴向长度和转子铁心长度），转子外径（需要预取空气气隙长度和套环长度，因为本设计中电机转速很高，所以必须安装套环保证稳定）。本例中估算出的电枢内径3.1cm,所以选取转子内径为3.0cm不变,然后选取不同的长径比，极弧系数等得到不同的电枢长度做了几组数据计算对比。高速永磁体的确定首先考虑永磁体类型的选择，考虑到电机工作在高温环境下（250下），所以需要选取高温下退磁较小的材料，最后选取了烧结衫钴永磁体，该种烧结钴基永磁体有退磁特性好、耐高温、温度稳定性好、等优点。牌号NSC27G， 可在300下正常工作，剩磁感应强度Br为1.0-1.11T,矫顽力Hc为637-796 KA/m。估算永磁体的体积是建立在高速永磁体体积、性能和发电机功率的关系上的，一般资料上介绍有下列三种方法：纯电感负载法估算发电机所需永磁体体积Vm。此法假设发电机为纯电感负载，则其外特性大致呈直线变化，根据其外特性cos=0时，额定容量的公式，找出永磁体的体积、尺寸与发电机容量及永磁体性能之间关系： (35)其中 空载漏磁系数； Kk短路电流倍数；KadR直轴电枢磁势折算到励磁边的折合系数；Kbk与永磁体工作点、磁路饱和程度、极弧系数等相关系数。对高速永磁电机可预取0.4-1.0。大功率发电机取低值，小功率取高值。有点需要指出，上式（3-5）建立在铝镍钴永磁体的基础上，用于高速永磁电机可能有较大的误差。从发电机外特性出发，经推导得到永磁体体积公式 (36)其中 Kad直轴电枢反应折合系数； KB磁场波形系数；KF发电机短路时每极磁势与直轴电枢反应磁势比， 这里，Fmk是发电机短路状态高速永磁体磁势；Fadk是发电机短路状态直流电枢反应电势。从公式(3-6)可以