永磁發電機是指由熱能轉變的機械能轉化為電能的發電裝置。由法國最先研製成功。
基本介紹
- 中文名：永磁發電機
- 外文名：Permanent magnet generator
- 屬性：發電裝置
- 發明時間：1832年
- 發明者：皮克希
- 領域：電力
概念,簡介,結構設計,控制問題,不可逆退磁問題,成本問題,永磁轉子特點,優點,結構特性對比,前景,機房尺寸,基礎知識,保養,
概念
在今直流電動機中，用直流電流來產生主極磁場的勵磁方式，稱為電流勵磁;若用永久磁體取代電流勵磁，以產生主極磁場，則此種電機稱為永磁電動機。
永磁發電機具有體積小,損耗低,效率高等優點,在節約能源和環境保護日益受到重視的今天,對其研究就顯得非常必要。在許多情況下可以實現無刷化，因此其多為小型和微型電動機所採用。採用變頻電源供電時，永磁電動機亦可用於調速傳動系統。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善永磁電動機已在家用電器、醫療器械、汽車、航空和國防等各個領域內獲得了廣泛的套用。
永磁發電機作為車用電機有高效、節能、低碳、功率大和體積小等優點,但輸出電壓不易調節、高頻鐵損大電機溫度高、啟動轉矩大等自身缺陷。永磁電動機的不足之處是，若使用不當，在過高溫度或過低溫度下工作時，在衝擊電流所產生的電樞反應作用下，或者在劇烈的機械振動下.有可能產生不可逆的退磁，使電動機的性能下降，甚至無法使用。因此，使用永磁電動機時應特別予以注意。
簡介
1832年，法國青年電學工程師皮克希試製成功了世界上第一台手搖永久磁鐵旋轉的交流發電機。
在這台發電機中，皮克希裝上了一種最初的換向器，使發電機中產生的交流電變為能為當時的工業生產所需要的直流電，但是，皮克希的永磁式發電機有兩大明顯的缺點。第一，它的設備比較笨重，難以借提高轉速來提高功率，第二，它的原動力是人力，這也難以靠提高轉速來獲得大功率的電流。
在皮克希改進他的永磁式發電機的同時，其他一些人也對永磁式發電機進行了研究，並作出了一些重要發明。1833年至1835年間，薩史斯頓和克拉克等人相繼發明了旋轉線圈電樞、靜止磁鐵結構等新裝置，這些新裝置的引入，使發電機的運轉部分大大減輕，從而提高了發電機的轉速。
此後，人們對發電機的原動力裝置部分也進行了改革，把手搖柄改為轉軸，改人手搖動為蒸汽機帶動，這樣，轉速有了大大的提高，所產生的電量也大大增加。
在上述兩個革新的基礎上，人們還進行了其他一些革新。到了1844年左右，在法、德、英等國家，就已經有龐大而笨拙的發電機給電解提供新的電源，並通過最初的電動機給機器提供新的動力了。
永磁式發電機的誕生，第一次把由熱能轉變來的機械能轉變為電能，從而使人類繼熱能之後又獲得了一種具有廣闊前景的新能源。
結構設計
永磁發電機與勵磁發電機的最大區別在於它的勵磁磁場是由永磁體產生的。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產廠的製造工藝有關，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機的容量和充磁方法有關，具體性能數據的離散性很大。而且永磁體在電機中所能提供的磁通量和磁動勢還隨磁路其餘部分的材料性能、尺寸和電機運行狀態而變化。此外，永磁發電機的磁路結構多種多樣，漏磁路十分複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，磁導是非線性的。這些都增加了永磁發電機電磁計算的複雜性，使計算結果的準確度低於電勵磁發電機。因此，必須建立新的設計概念，重新分析和改進磁路結構和控制系統；必須套用現代設計方法，研究新的分析計算方法，以提高設計計算的準確度；必須研究採用先進的測試方法和製造工藝。
控制問題
永磁發電機製成後不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節、控制其磁場極為困難。這些使永磁發電機的套用範圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBTT等電力電子器件的控制技術的迅猛發展，永磁發電機在套用中無需磁場控制而只進行電機輸出控制。設計時需要釹鐵硼材料，電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁發電機在嶄新的工況下運行。
不可逆退磁問題
如果設計和使用不當，永磁發電機在溫度過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）時，在衝擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發適合於電機製造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以便在設計和製造時採用相應措施保證永磁式發電機不會失磁。
成本問題
由於稀土永磁材料目前的價格還比較貴，稀土永磁發電機的成本一般比電勵磁式發電機高，但這個成會在電機高性能和運行中得到較好的補償。在今後的設計中會根據具體使用的場合和要求，進行性能、價格的比較，並進行結構的創新和設計的最佳化，以降低製造成本。無可否認，現正在開發的產品成本價格比目前通用的發電機略高，但是我們相信，隨著產品更進一步的完美，成本問題會得到很好的解決。美國DELPHI（德爾福）公司的技術部負責人認為：“顧客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的這一說法充分說明了交流永磁發電機的市場前景不會被成本問題困擾。
永磁轉子特點
結構1：並聯磁場結構；轉採用鑄造壓制而成，裡面嵌放永磁體，能量大、重量輕、體積小、整體結構牢固可靠，最大工作轉速大於15000轉/分。專利號；ZL96 2 47776.1 結構2：串聯磁場式結構；轉子採用鋼結構，表面按順序嵌放永磁鐵，轉子表面磁通強、重量輕、體積小、整體結構牢固可靠，最大工作轉速大於15000轉/分。專利號：ZL98 2 33864.3 整機穩壓系統特點：採用可控矽和二極體組成半控橋式整流電路。穩壓系統是一種斬波調製型穩壓裝置，其穩壓精度為正負0.1v，故該發電機具有能瞬間承受較大電流、運行可靠和耐用等特點，又因可直接利用發電機發出的交流電的反向電壓使可控矽自行關斷，故無需加關斷電路，使電路結構簡單、可靠。
優點
1：結構簡單、可靠性高。永磁式發電機省去了勵磁式發電機的勵磁繞組、碳刷、滑環結構，整機結構簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環結構，整機結構簡單，避免了勵磁式發電機勵磁式發電機勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環易磨損等故障，可靠性大為提高。
2：體積小、重量輕、比功率大。永磁轉子結構的採用，使得發電機內部結構設計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉子結構的簡化，還使得轉子轉動慣量減少，實用轉速增加，比功率（即功率、體積之比例）達到一個很高的值。
3：中、低速發電性能好。功率等級相同的情況下，怠速時，永磁式發電機要比勵磁式發電機的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發電機的實際等功率等級的勵磁式發電機。
4：能顯著地延長蓄電池壽命，減少蓄電池維護工作。主要原因是永磁式發電機採用的是開關式的整流穩壓方式，穩壓精度高，充電效果好。避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發電機的開頭式整流輸出對蓄電池採用小電流脈衝充電，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。
5：效率高。永磁式發電機是一種節能產品。永磁轉子結構免去了產生轉子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環之間磨擦的機械損耗，使得永磁式發電機效率大為提高。普通勵磁式發電機在1500轉/分至6000轉/分之間的轉速範圍內平均效率只有45%至55%，而永磁式發電機則可高達75%至80%。
6：採用自啟動式穩壓器無需外加勵磁電源。發電機只要一旋轉就能發電。當蓄電池損壞時，只要發動機處於運行狀態，汽車充電系統仍可正常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉手把或溜車，也可實現點火運行。
7：特別適合於在潮濕或灰塵多的惡劣環境下工作。
8：無線電干擾。永磁發電機無碳刷、無滑環的結構，消除了碳刷與滑環磨擦產生的無線電干擾；消除了電火花，特別適合於爆炸性危險程度較大的環境下工作，也降低了發電機對環境溫度的要求。
結構特性對比
1：永磁式發電機：結構簡單，轉子磁場大，無勵磁繞組，無碳刷，無滑環，氣隙大，無觸點，整機唯一磨損部位是軸承。提高了產品可靠性，不用外接調節器，導磁體材料間距採用最佳化設計，減少了漏磁，使發電機怠速性能好，出電路足。
勵磁式發電機：怠速發電性能差，電瓶容易放完電；發電機轉速在1500-6000轉/分區間效率只有40%-50%，效率低，因轉子存在勵磁線圈，整機溫升高；勵磁式發電機還極易出現碳刷、滑環損壞等問題。
2：性能對比。（以28V、36A、1000W 發電機為例）
28V、36A、1000W 發電機 | 電流 (A) | 滿載轉速(r/min) | 平均效率（1500-6000r/min) | 調節電壓（V) | 負載特性（V) | 轉速特性（V) |
勵磁式 | 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：體積溫升對比。如下表：
外徑（mm) | 長度（mm) | 溫升（K) | 重量（kg) | |
勵磁式 | Φ142 | 180 | 75 | 6.5 |
永磁式 | Φ128 | 165 | 50 | 4 |
從以上性能、結構、體積等對比情況分析，永磁式比勵磁式發電機結構簡單、體積小、重量輕、性能優越，低速時發電充足。JFYJ永磁發電機（3000W）和普通勵磁發電機（3000W）的體積重比較，如下表：
3000W | 外徑（mm) | 長度（mm) | 重量（kg) |
JFYJ永磁發電機 | Φ171 | 265 | 12 |
普通勵磁發電機 | Φ200 | 310 | 24 |
前景
在工農業生產、日常生活和國防科技等方面得到了很大的利用，大有發展壯大之趨勢。大功率發電機往往在豪華與超豪華空調車上使用.怠速時用電量較大，勵磁式發電機只能通過增大主動輪與發電機皮帶輪的速比來滿足該要求，而永磁發電機優越的中低速發電性能正好能解決這個技術難題.
永磁發電機
永磁發電機車用空調安裝在車的側面，較接近地面，行駛過程中，灰塵，雜物易進入發電機體內，很容易造成勵磁式發電機碳刷與滑環的接觸增大，從而影響發電機的正常工作；而永磁發電機無滑環，無碳刷，定轉子氣隙大，特別適合於在這種惡劣的工作環境下工作.
新一代的免維護蓄電池對充電電壓精度越來越高，永磁發電機優越的發電性能和高精度的穩壓技術，是解決電瓶虧電，延長蓄電池壽命的有效途徑.
稀土釹鐵硼之魅力。“稀土之冠”釹鐵硼，一種獨特的稀有物質，由於它有著強大的載磁功能，它將成為21世紀工業革命的寵兒。而由它所引發的電機工業革命已成為世界各國電機專家、汽車專家的高度關注。據行內專家預測，21世紀的電機將會是永磁的世界。中國作為稀土之國，其蘊藏量占世界總量的80%，但對稀土的利用和開發還不夠理想，相反，一些已開發國家已充分認識到稀土的潛在價值，正在作深層的研究。中國應該象南非人開採鑽石，中東人開發開油那樣開發獨有的稀土資源，並將這一資源優勢充分發揮。目前我們已經在風力發電項目中找到了深層開發和利用稀土的突破口。
