径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究

电机部分

径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究

赵朝会12，李遂亮3，王新威3

（1 上海电机学院电气学院，上海 200240；2. 南京航空航天大学

航空电源航空科技重点实验室，江苏 南京 210016； 3. 河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002）

，

[摘 要] 针对径向结构和切向结构永磁同步电机结构上的不同，分析了转子加工和装配方面的差异。利用磁路和有限元的计算方法，探讨了两种电机在发电状态下的性能差别，研究了产生这些区别的原因。指出：径向结构永磁同步发电机的电压调整率、谐波失真率小于切向结构永磁电机，外特性较切向结构电机硬；其运行的稳定性要大于切向结构电机；漏磁较小，转子装配工艺简单。 [关键词] 径向结构；切向结构；永磁同步电机

[中图分类号] TM313; TM303 [文献标识码] A [文章编号] 1000-3983（2007）04-0001-04

Comparative Investigation of SPM and IPM Synchronous Electric Machine

ZHAO Chao-hui1,2, LI Sui-liang1, WANG Xin-wei1

（1. Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China; 2. Aero-PAOWER Sci-Tech Center, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China; 3. Mechanical and Electrical Engineering College of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Abstract: This paper compares SPM(Surface-mounted Permanent Magnet) and IPM(Interior Permanent Magnet) machine in various aspects: differences in rotor machining and assembly; different performances under power generating state. Investigation shows that the voltage regulation rate and harmonic distortion rate of SPM are less than those of IPM. Comparing with IPM, the operation stability is larger, the flux leakage is less and rotor assembly is easier. Key words: SPM; IPM; permanent magnet synchronous machine

的影响，对切向结构永磁同步电机进行了结构优化，

1 引言

指出了切向结构永磁同步电机辅助磁极的两种最佳位

永磁同步发电机由于没有励磁绕组和励磁装置，置和较为合适的极对数及磁钢厚度；文献[4]从气隙大不消耗励磁功率，还可省去滑环和电刷，所以与电励小、转轴材料、极弧系数、磁钢厚度和极对数等因素磁发电机比较，具有损耗小、效率高、结构简单、可出发，对比分析了径向和切向结构两种电机气隙磁密靠性高等突出优点，获得了越来越广泛的应用。 的影响因素。但把径向结构永磁同步发电机和切向结

永磁同步发电机的定子结构与电励磁同步发电机构永磁同步发电机作一全面对比的文章还没有看到。相同，转子采用永磁体励磁。由于永磁体的磁能积高、本文从电机外特性和电压调整率、直轴和交轴电抗、矫顽力大，故一般可做成薄片形，并有径向磁化和切磁铁建立的磁场对感应电势波形的影响、短路特性、向磁化两种结构。 功角特性及转子加工、装配的工艺性、漏磁大小等方

文献[1]、[2]、[3]研究了切向结构永磁同步电机辅面比较了径向结构永磁同步电机和切向结构永磁同步助磁极的优化、极对数的选择和磁钢厚度对电机性能发电机，得出了一些实用的结论。 基金项目：河南省教育厅科技攻关项目(200510466001)；河南省科技厅普通攻关（0624260032）

2 两种结构电机的模型及结构参数

径向结构永磁同步电机和切向结构永磁同步电机的几何模型如图1所示。在径向结构中，一对极的两

2 径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究 2007.№4

块磁铁是串联的，因此是一块磁铁截面对每极气隙提供磁通，两块磁铁的磁化方向长度对磁路提供磁势，故电机气隙磁感应强度近似等于磁铁工作点的磁感应强度。在切向结构中，相邻两块磁铁是并联的，由两块磁铁截面通过磁极向气隙提供磁通，只有一块磁铁向磁路提供磁势，这是一种聚磁结构形式，其气隙磁感应强度可能大于磁铁工作点的磁感应强度，这就充分发挥了稀土永磁材料矫顽力高的优势，并可以合理选择磁铁截面尺寸，以优化气隙磁感应强度值。

的定子参数完全相同外，还应保持两电机的一些技术参数相同，如表1所示。

表1 两种结构电机相同的技术参数

SN（kVA）

UN （V）

cosϕ

m

nN （r/min）

2p

α

6 115 0.75 3 6000 60.80

在外特性过额定点（IN，UN）的情况下，两种结构电机的结构参数见表2。

表2 电机的结构参数

径向切向

Di（mm）

Do（mm）

Z

L（mm）

hm(mm)

bm(mm)

102 168 27 70 10.5 38 102 168 27 64.5 13 30

3 两种结构发电机性能参数的比较

在相同的技术参数、相同的定子冲片以及相同的

极弧系数下，利用Ansoft软件的RMXprt计算的两种电机的性能参数见表3。

表中Do为电枢铁心外径，Di为电枢铁心内径，Z为槽数，α为极弧系数，L为铁心长度，hm为磁钢磁化方向长度，bm为磁钢宽度，E0为空载电动势，R1为绕组电阻，Bδ为气隙磁密，Xd为直轴电抗，Xq为交轴电抗，W为有效材料重量，η为额定负载时的效率，UN为额定负载时的电压，IK为短路电流，THD为感应电压的谐波失真率。

3.1 直轴电抗和交轴电抗

由于磁铁的磁导率低，故对电枢反应磁场起削弱作用，因此永磁电机的直轴电枢反应电抗xad 比电励磁电机的直轴电枢反应电抗小得多。根据计算结果可知，切向结构电机的直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗都大于径向结构电机的电枢反应电抗。在切向结构永磁同步电机中，直轴同步电抗小于交轴同步电抗。

（a）径向结构永磁电机

(b) 切向结构永磁电机

图1 永磁同步电机的两种结构

为了使计算的结果具有可比性，除了保持两电机

径向 切向

Xd(Ω) Xq(Ω) Bδ(T) R1(Ω)

E0(V)

表3 两种电机的性能参数

UN(V)

IK(A) THD0.3460.383

Η(%)

W(kg) 0.442 0.442 0.88 0.0580.709 1.253 0.94 0.056

206 193 276.25211 193 191.15

93.2 10.36 92.8 9.9

3.2 外特性和电压调整率

在相同的技术参数、相同的定子冲片以及相同的极弧系数下，保证两种结构发电机的主要尺寸和有效材料基本相同，使它们的外特性过额定点（IN，UN），比较这两种结构发电机的外特性及固有电压变化率，两种结构发电机外特性曲线如图2所示。

永磁同步发电机的电压随负载的变化而变化，其大小用电压调整率△U表示，它是衡量发电机性能的一个指标。

电压调整率的定义为：在额定电压和额定负载工况下，切除负载而不改变励磁时，端电压变化相对额定电压的百分数，即

2007.№4 大 电 机 技 术 3

∆U=

E0−UN

×100% UN

比较两种电机的计算结果，可以看出：径向结构永磁同步电机的直轴和交轴电抗相比切向结构永磁同步电机来讲都要小，即径向结构永磁同步电机的直轴和交轴磁阻都要大于切向结构电机，所以径向结构永磁同步电机的感应电势波形的畸变率小于切向结构电机。 3.4 短路特性

同步电抗是电枢反应电抗和电枢漏电抗之和，它反映了电枢反应磁场和电枢漏磁场共同对电枢绕组的作用。这两个磁场对电枢端电压的影响是以电抗压降的形式表现出来的，它使端电压升高还是降低决定于负载电流的性质。由计算可知，径向结构永磁同步电机的稳态短路电流IK比切向结构电机大得多。这是由于径向结构永磁同步电机的直轴同步电抗比切向结构永磁同步电机小得多产生的。 3.5 功角特性

功角特性是指电机电磁功率Pem与功率角θ之间的关系，如下式：

计算可知，径向结构永磁同步电机的∆U＝6.7％，切向结构永磁同步电机的∆U＝9.3％。

径向结构永磁同步发电机的外特性比切向结构永磁同步发电机的外特性硬得多，其电压调整率也为切向结构永磁电机的72％左右。这是因为：（1）径向结构永磁同步电机的直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗相比切向结构电机来讲相对较小，从而大大削弱了电枢反应的去磁作用。（2）切向结构永磁同步电机的漏磁随着负载的增加会增大。 215210205U0（V） 2001951901851801751700 5 10 15 20 25 30 35 40 45 IL（A） 径向结构电机的外特性 切向结构电机的外特性 mE0UmU2

′+Pem′′=Pem=Pemsinθ+

2xd

⎛1⎞

⎜−1⎟sin2θ ⎜xqxd⎟⎝⎠

式中P′em称为基本分量，是定转子磁场间传递的功率；P″em称为附加分量，是由于直轴和交轴磁路的磁阻不同而产生的能量传递，它与电机的励磁状态无关，只要xd不等于xq，它就存在，通常情况下把它称为“凸极效应”。

根据电机学理论，如果功角特性具有正的斜率

图2 两种结构永磁同步电机外特性的比较

3.3 磁铁建立的磁场对感应电势波形的影响

工业生产对同步发电机的电动势波形的正弦性有严格的要求。实际电动势（通常是指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率表示。

电压波形正弦性畸变率是指该电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根与该基波有效值的百分比，用THD(%)表示。

THD=

U2+U3+....+Ur+....×100%

U1

222dPem/dθ，即比整步功率大于0，则电机处于稳定的运行状态，dPem/dθ越大，电机维持稳定同步运行的能力越强，运行的稳定性能就越好。

从前面的计算可知，径向结构永磁同步电机相当于一个隐极电机，它的直轴电抗xd和交轴电抗xq相等，电机的电磁功率仅有基本分量，没有凸极效应引起的附加能量；在切向结构永磁同步电机中，由于xd式中 Ur——线电压中r次谐波的有效值； U1——线电压中基波的有效值。

计算可知，径向结构永磁同步电机的THD=0.346％，切向结构永磁同步电机的THD=0.383％。

根据电机学原理可知，交轴电枢反应造成了磁极磁感应强度分布的畸变。磁阻大，交轴磁通ϕaq就相对微弱，磁极气隙磁感应强度畸变实际上可以忽略不计。

Pem的公式分析可知，切向结构永磁同步电机功角特性的变化规律与径向结构永磁同步电机不同，其比整步功率dPem/dθ小，故其运行的稳定性不如径向结构永磁电机。

3.6 漏磁大小

由有限元计算看出，径向结构永磁同步电机的漏

4 径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究 2007.№4

磁较小，而切向结构永磁同步电机非工作气隙端的漏磁较为严重。

3.7 转子加工、装配的工艺性

在径向结构永磁同步电机中，永磁体直接面向气隙，漏磁系数较小，能产生尽可能多的磁通，材料的利用率高，结构简单，便于批量生产，交轴电枢反应磁通经磁阻很大的永磁体闭合，气隙磁场的畸变率较小；但瓦片形和弧形永磁体的形状复杂，加工费时，有时其加工费用甚至高于永磁材料本身的成本，另一方面，电枢反应直接作用与永磁体，容易引起不可逆的退磁。

行精度加工。因此，相对径向结构电机，它的制造工艺复杂，制造成本较贵。

4 结论

在相同的技术参数、相同的定子冲片以及相同的极弧系数下，可得：

（1）径向结构永磁同步发电机的电压调整率小于切向结构永磁电机，外特性较切向结构电机硬。

（2）径向结构永磁同步电机的谐波失真率小于切向结构电机。

（3）从功角特性可知，径向结构永磁同步发电机的运行稳定性要大于切向结构电机。

（4）径向结构永磁同步发电机的漏磁较小，转子装配工艺简单。

（5）但切向结构电机的气隙磁密要高于径向结

构，这样，能有效地提高电机的出力，改善动态品质。

[参 考 文 献]

[1] 赵朝会，朱德明，严仰光. 切向结构永磁同步电

机辅助磁极的优化[J]. 南京航空航天大学学报，

（a）径向结构永磁同步电机的磁场分布

2006，38（1）：53－57.

[2] 赵朝会,朱德明，秦海鸿等. 切向结构永磁同步电

机极对数的选择[J]. 南京航空航天大学学报,

2006, 38(3):281－285.

[3] ZHAO Chaohui, Qin Haihong, YAN Yangguang.

The Optimization of Rare Earth Magnet Thickness of IPM Synchronous Machine With \"Flux Concentration Function\" [C]. IEEE ICIT 2005, 185-190.

[4] 赵朝会，李遂亮，王新威等. 永磁同步电机气隙

磁密影响因素的分析[J]. 河南农业大学学报，

2005，（3）：338－344.

（b）切向结构永磁同步电机的磁场分布

[收稿日期] 2006-07-31

图3 电机的磁场分布

[作者简介]

赵朝会（1963-），1986年毕业于河南农业大

切向结构永磁同步电机中，漏磁系数较大，为了减小漏磁，需要采用相应的隔磁措施，用非磁性材料构成转子里面的衬套。而永磁体和软铁极靴之间、软铁极靴和套环内壁之间是主磁通的路径，零件必须进

学，副教授，现从事电力电子及电力传动的教学与科研工作。