永磁發(fā)電機(jī)原理

【專家解說】：1 磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算 永磁發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵(lì)磁磁場是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產(chǎn)廠的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機(jī)的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數(shù)據(jù)的離散性很大。而且永磁體在電機(jī)中所能提供的磁通量和磁動(dòng)勢還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。此外，永磁發(fā)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，漏磁路十分復(fù)雜而且漏磁通占的比例較大，鐵磁材料部分又比較容易飽和，磁導(dǎo)是非線性的。這些都增加了永磁發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算的復(fù)雜性，使計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度低于電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。因此，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng);必須應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，研究新的分析計(jì)算方法，以提高設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確度;必須研究采用先進(jìn)的測試方法和制造工藝。 1.2 控制問題 永磁發(fā)電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。這些使永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBTT等電力電子器件的控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，永磁發(fā)電機(jī)在應(yīng)用中無需磁場控制而只進(jìn)行電機(jī)輸出控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要釹鐵硼材料，電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁發(fā)電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。 1.3 不可逆退磁問題 如果設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，永磁發(fā)電機(jī)在溫度過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適合于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計(jì)和制造時(shí)采用相應(yīng)措施保證永磁式發(fā)電機(jī)不會(huì)失磁。 1.4成本問題 由于稀土永磁材料目前的價(jià)格還比較貴，稀土永磁發(fā)電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)高，但這個(gè)成會(huì)在電機(jī)高性能和運(yùn)行中得到較好的補(bǔ)償。在今后的設(shè)計(jì)中會(huì)根據(jù)具體使用的場合和要求，進(jìn)行性能、價(jià)格的比較，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以降低制造成本。無可否認(rèn)，現(xiàn)正在開發(fā)的產(chǎn)品成本價(jià)格比目前通用的發(fā)電機(jī)略高，但是我們相信，隨著產(chǎn)品更進(jìn)一步的完美，成本問題會(huì)得到很好的解決。美國DELPHI(德爾福)公司的技術(shù)部負(fù)責(zé)人認(rèn)為:“顧客注重的是每公里瓦特上的成本?！彼倪@一說法充分說明了交流永磁發(fā)電機(jī)的市場前景不會(huì)被成本問題困擾。 1.5永磁轉(zhuǎn)子特點(diǎn): 結(jié)構(gòu)1: 并聯(lián)磁場結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)采用采用鑄造壓制而成，里面嵌放永磁體，能量大、重量輕、體積小、整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，最大工作轉(zhuǎn)速大于15000轉(zhuǎn)/分。 專利號(hào);ZL96 2 47776.1 結(jié)構(gòu)2: 串聯(lián)磁場式結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)子采用鋼結(jié)構(gòu)，表面按順序嵌放永磁鐵，轉(zhuǎn)子表面磁通強(qiáng)、重量輕、體積小、整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，最大工作轉(zhuǎn)速大于15000轉(zhuǎn)/分。 專利號(hào):ZL98 2 33864.3 整機(jī)穩(wěn)壓系統(tǒng)特點(diǎn): 采用可控硅和二極管組成半控橋式整流電路。穩(wěn)壓系統(tǒng)是一種斬波調(diào)制型穩(wěn)壓裝置，其穩(wěn)壓精度為正負(fù)0.1v，故該發(fā)電機(jī)具有能瞬間承受較大電流、運(yùn)行可靠和耐用等特點(diǎn)，又因可直接利用發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電的反向電壓使可控硅自行關(guān)斷，故無需加關(guān)斷電路，使電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠。 2、永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 2.1 結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高 永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵(lì)磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大為提高。 2.2 體積小、重量輕、比功率大 永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率(即功率、體積之比例)達(dá)到一個(gè)很高的值。 2.3 中、低速發(fā)電性能好 功率等級(jí)相同的情況下，怠速時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發(fā)電機(jī)的實(shí)際等功率等級(jí)的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。 2.4 能顯著地延長蓄電池壽命，減少蓄電池維護(hù)工作 主要原因是永磁式發(fā)電機(jī)采用的是開關(guān)式的整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高，充電效果好。避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機(jī)的開頭式整流輸出對(duì)蓄電池采用小電流脈沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長蓄電池的使用壽命。 2.5 效率高 永磁式發(fā)電機(jī)是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需的勵(lì)磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)在1500轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機(jī)則可高達(dá)75%至80%。 2.6 采用自啟動(dòng)式穩(wěn)壓器 無需外加勵(lì)磁電源。發(fā)電機(jī)只要一旋轉(zhuǎn)就能發(fā)電。當(dāng)蓄電池?fù)p壞時(shí)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，汽車充電系統(tǒng)仍可工常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉(zhuǎn)手把或溜車，也可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火運(yùn)行。 2.7 特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作 2.8 無無線電干擾 永磁發(fā)電機(jī)無碳刷、無滑環(huán)的結(jié)構(gòu)，消除了碳刷與滑環(huán)磨擦產(chǎn)生的無線電干擾;消除了電火花，特別適合于爆炸性危險(xiǎn)程度較大的環(huán)境下工作，也降低了發(fā)電機(jī)對(duì)環(huán)境溫度的要求。 3、結(jié)構(gòu) 特性對(duì)比 3.1 永磁式發(fā)電機(jī): 永磁式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子磁場大，無勵(lì)磁繞組，無碳刷，無滑環(huán)，氣隙大，無觸點(diǎn)，整機(jī)唯一磨損部位是軸承。提高了產(chǎn)品可靠性，不用外接調(diào)節(jié)器，導(dǎo)磁體材料間距采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了漏磁，使發(fā)電機(jī)怠速性能好，出電路足。 勵(lì)磁式發(fā)電機(jī): 勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，怠速發(fā)電性能差，電瓶容易放完電;發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1500-6000轉(zhuǎn)/分區(qū)間效率只有40%-50%，效率低，因轉(zhuǎn)子存在勵(lì)磁線圈，整機(jī)溫升高;勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)還極易出現(xiàn)碳刷、滑環(huán)損壞等問題。 3.2 性能對(duì)比(以28V、36A、1000W 發(fā)電機(jī)為例) 發(fā)電機(jī) 型式 電流 (A) 滿載轉(zhuǎn)速 (r/min) 平均效率 (1500-6000r/min) 調(diào)節(jié)電壓 (V) 負(fù)載特性 (V) 轉(zhuǎn)速特性 (V) 勵(lì)磁式 9 3500 0.45 28±0.3 |△U|≤0.8 |△U|≤0.5 永磁式 18 2800 0.8 28±0.2 |△U|≤0.3 |△U|≤0.2 3.3體積溫升對(duì)比 發(fā)電機(jī)型式 外徑(mm) 長度(mm) 溫升(K) 重量(kg) 勵(lì)磁式 Φ142 180 75 6.5 永磁式 Φ128 165 50 4 從以上性能、結(jié)構(gòu)、體積等對(duì)比情況分析，永磁式比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、性能優(yōu)越，低速時(shí)發(fā)電充足。 JFYJ永磁發(fā)電機(jī)(3000W)和普通勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(3000W)的體積重比較表 類型 外徑(mm) 長度(mm) 重量(kg) 永磁式 Φ171 265 12 勵(lì)磁式 Φ200 310 24 4、稀土釹鐵硼之魅力 “稀土之冠”??釹鐵硼，一種獨(dú)特的稀有物質(zhì)，由于它有著強(qiáng)大的載磁功能，它將成為21世紀(jì)工業(yè)革命的寵兒。而由它所引發(fā)的電機(jī)工業(yè)革命已成為世界各國電機(jī)專家、汽車專家的高度關(guān)注。據(jù)行內(nèi)專家預(yù)測，21世紀(jì)的電機(jī)將會(huì)是永磁的世界。 中國作為稀土之國，其蘊(yùn)藏量占世界總量的80%，但對(duì)稀土的利用和開發(fā)還不夠理想，相反，一些發(fā)達(dá)國家已充分認(rèn)識(shí)到稀土的潛在價(jià)值，正在作深層的研究。中國應(yīng)該象南非人開采鉆石，中東人開發(fā)開油那樣開發(fā)獨(dú)有的稀土資源，并將這一資源優(yōu)勢充分發(fā)揮。目前我們已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中找到了深層開發(fā)和利用稀土的突破口。