[科普中国]-永磁发电机

永磁发电机是指由热能转变的机械能转化为电能的发电装置。由法国最先研制成功。

概念在今直流电动机中，用直流电流来产生主极磁场的励磁方式，称为电流励磁;若用永久磁体取代电流励磁，以产生主极磁场，则此种电机称为永磁电动机。

永磁发电机具有体积小,损耗低,效率高等优点,在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对其研究就显得非常必要。1在许多情况下可以实现无刷化，因此其多为小型和微型电动机所采用。采用变频电源供电时，永磁电动机亦可用于调速传动系统。随着永磁材料性能的不断提高和完善永磁电动机已在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得了广泛的应用。

永磁发电机作为车用电机有高效、节能、低碳、功率大和体积小等优点,但输出电压不易调节、高频铁损大电机温度高、启动转矩大等自身缺陷。2永磁电动机的不足之处是，若使用不当，在过高温度或过低温度下工作时，在冲击电流所产生的电枢反应作用下，或者在剧烈的机械振动下.有可能产生不可逆的退磁，使电动机的性能下降，甚至无法使用。因此，使用永磁电动机时应特别予以注意。3

简介1832年，法国青年电学工程师皮克希试制成功了世界上第一台手摇永久磁铁旋转的交流发电机。

在这台发电机中，皮克希装上了一种最初的换向器，使发电机中产生的交流电变为能为当时的工业生产所需要的直流电，但是，皮克希的永磁式发电机有两大明显的缺点。第一，它的设备比较笨重，难以借提高转速来提高功率，第二，它的原动力是人力，这也难以靠提高转速来获得大功率的电流。

在皮克希改进他的永磁式发电机的同时，其他一些人也对永磁式发电机进行了研究，并作出了一些重要发明。1833年至1835年间，萨史斯顿和克拉克等人相继发明了旋转线圈电枢、静止磁铁结构等新装置，这些新装置的引入，使发电机的运转部分大大减轻，从而提高了发电机的转速。

此后，人们对发电机的原动力装置部分也进行了改革，把手摇柄改为转轴，改人手摇动为蒸汽机带动，这样，转速有了大大的提高，所产生的电量也大大增加。

在上述两个革新的基础上，人们还进行了其他一些革新。到了1844年左右，在法、德、英等国家，就已经有庞大而笨拙的发电机给电解提供新的电源，并通过最初的电动机给机器提供新的动力了。

永磁式发电机的诞生，第一次把由热能转变来的机械能转变为电能，从而使人类继热能之后又获得了一种具有广阔前景的新能源。

结构设计永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。

控制问题永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。

不可逆退磁问题如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。

成本问题由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。

永磁转子特点结构1：并联磁场结构；转采用铸造压制而成，里面嵌放永磁体，能量大、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。专利号；ZL96 2 47776.1 结构2：串联磁场式结构；转子采用钢结构，表面按顺序嵌放永磁铁，转子表面磁通强、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。专利号：ZL98 2 33864.3 整机稳压系统特点：采用可控硅和二极管组成半控桥式整流电路。稳压系统是一种斩波调制型稳压装置，其稳压精度为正负0.1v，故该发电机具有能瞬间承受较大电流、运行可靠和耐用等特点，又因可直接利用发电机发出的交流电的反向电压使可控硅自行关断，故无需加关断电路，使电路结构简单、可靠。

优点1：结构简单、可靠性高。永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大为提高。

2：体积小、重量轻、比功率大。永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比例）达到一个很高的值。

3：中、低速发电性能好。功率等级相同的情况下，怠速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍，也就是说，永磁式发电机的实际等功率等级的励磁式发电机。

4：能显著地延长蓄电池寿命，减少蓄电池维护工作。主要原因是永磁式发电机采用的是开关式的整流稳压方式，稳压精度高，充电效果好。避免了过电流充电造成的蓄电池寿命缩短。永磁式发电机的开头式整流输出对蓄电池采用小电流脉冲充电，相同的充电电流充电效果更好，从而延长蓄电池的使用寿命。

5：效率高。永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%，而永磁式发电机则可高达75%至80%。

6：采用自启动式稳压器无需外加励磁电源。发电机只要一旋转就能发电。当蓄电池损坏时，只要发动机处于运行状态，汽车充电系统仍可正常工作。如汽车没有蓄电池，只要摇转手把或溜车，也可实现点火运行。

7：特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作。

8：无线电干扰。永磁发电机无碳刷、无滑环的结构，消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰；消除了电火花，特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作，也降低了发电机对环境温度的要求。

结构特性对比1：永磁式发电机：结构简单，转子磁场大，无励磁绕组，无碳刷，无滑环，气隙大，无触点，整机唯一磨损部位是轴承。提高了产品可靠性，不用外接调节器，导磁体材料间距采用优化设计，减少了漏磁，使发电机怠速性能好，出电路足。

励磁式发电机：怠速发电性能差，电瓶容易放完电；发电机转速在1500-6000转/分区间效率只有40%-50%，效率低，因转子存在励磁线圈，整机温升高；励磁式发电机还极易出现碳刷、滑环损坏等问题。

2：性能对比。（以28V、36A、1000W 发电机为例）

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3：体积温升对比。如下表：

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从以上性能、结构、体积等对比情况分析，永磁式比励磁式发电机结构简单、体积小、重量轻、性能优越，低速时发电充足。JFYJ永磁发电机（3000W）和普通励磁发电机（3000W）的体积重比较，如下表：

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前景在工农业生产、日常生活和国防科技等方面得到了很大的利用，大有发展壮大之趋势。4大功率发电机往往在豪华与超豪华空调车上使用.怠速时用电量较大，励磁式发电机只能通过增大主动轮与发电机皮带轮的速比来满足该要求，而永磁发电机优越的中低速发电性能正好能解决这个技术难题.

车用空调安装在车的侧面，较接近地面，行驶过程中，灰尘，杂物易进入发电机体内，很容易造成励磁式发电机碳刷与滑环的接触增大，从而影响发电机的正常工作；而永磁发电机无滑环，无碳刷，定转子气隙大，特别适合于在这种恶劣的工作环境下工作.

新一代的免维护蓄电池对充电电压精度越来越高，永磁发电机优越的发电性能和高精度的稳压技术，是解决电瓶亏电，延长蓄电池寿命的有效途径.

稀土钕铁硼之魅力。“稀土之冠”钕铁硼，一种独特的稀有物质，由于它有着强大的载磁功能，它将成为21世纪工业革命的宠儿。而由它所引发的电机工业革命已成为世界各国电机专家、汽车专家的高度关注。据行内专家预测，21世纪的电机将会是永磁的世界。中国作为稀土之国，其蕴藏量占世界总量的80%，但对稀土的利用和开发还不够理想，相反，一些发达国家已充分认识到稀土的潜在价值，正在作深层的研究。中国应该象南非人开采钻石，中东人开发开油那样开发独有的稀土资源，并将这一资源优势充分发挥。目前我们已经在风力发电项目中找到了深层开发和利用稀土的突破口。

机房尺寸发电机机房尺寸的说明十分重要，给购买发电机厂商提供了直接的技术参数，也给机房设计者提够了参数和数字依据。但有几个问题要注意：一，发电机摆放位置要有一定通风空间，也就是长宽高要多出一定位置比如维修检查要有空间。二，发电机伸出烟管部分要有位置能够达到规定安装部分。三，导风位置的外墙是否好安装？能否有足够空间摆放

基础知识发电机的组成；主要是三大部分，发动机，电球，控制器。它是四冲程。有水冷，风冷，油冷之分。

保养发电机的常见故障很多，主要是平时保养不到位或保养不及时引起。发动机部分和汽车没区别要养成良好保养习惯。及时按标准去做像对待自己的爱车一样对待发电机一样可以做到未雨调缪

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杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所