永磁發(fā)電機(jī)（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置）
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永磁發(fā)電機(jī)
機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置
永磁發(fā)電機(jī)是指由熱能轉(zhuǎn)變的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。由法國最先研制成功。
概念
在今直流電動(dòng)機(jī)中，用直流電流來產(chǎn)生主極磁場(chǎng)的勵(lì)磁方式，稱為電流勵(lì)磁；若用永久磁體取代電流勵(lì)磁，以產(chǎn)生主極磁場(chǎng)，則此種電機(jī)稱為永磁電動(dòng)機(jī)。
永磁發(fā)電機(jī)具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，對(duì)其研究就顯得非常必要。在許多情況下可以實(shí)現(xiàn)無刷化，因此其多為小型和微型電動(dòng)機(jī)所采用。采用變頻電源供電時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)亦可用于調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善永磁電動(dòng)機(jī)已在家用電器、醫(yī)療器械、汽車、航空和國防等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。
永磁發(fā)電機(jī)作為車用電機(jī)有高效、節(jié)能、低碳、功率大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓不易調(diào)節(jié)、高頻鐵損大電機(jī)溫度高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等自身缺陷。永磁電動(dòng)機(jī)的不足之處是，若使用不當(dāng)，在過高溫度或過低溫度下工作時(shí)，在沖擊電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或者在劇烈的機(jī)械振動(dòng)下。有可能產(chǎn)生不可逆的退磁，使電動(dòng)機(jī)的性能下降，甚至無法使用。因此，使用永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)特別予以注意。
簡介
在這臺(tái)發(fā)電機(jī)中，皮克希裝上了一種最初的換向器，使發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的交流電變?yōu)槟転楫?dāng)時(shí)的工業(yè)生產(chǎn)所需要的直流電，但是，皮克希的永磁式發(fā)電機(jī)有兩大明顯的缺點(diǎn)。第一，它的設(shè)備比較笨重，難以借提高轉(zhuǎn)速來提高功率，第二，它的原動(dòng)力是人力，這也難以靠提高轉(zhuǎn)速來獲得大功率的電流。
在皮克希改進(jìn)他的永磁式發(fā)電機(jī)的同時(shí)，其他一些人也對(duì)永磁式發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，并作出了一些重要發(fā)明。1833年至1835年間，薩史斯頓和克拉克等人相繼發(fā)明了旋轉(zhuǎn)線圈電樞、靜止磁鐵結(jié)構(gòu)等新裝置，這些新裝置的引入，使發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)部分大大減輕，從而提高了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
此后，人們對(duì)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力裝置部分也進(jìn)行了改革，把手搖柄改為轉(zhuǎn)軸，改人手搖動(dòng)為蒸汽機(jī)帶動(dòng)，這樣，轉(zhuǎn)速有了大大的提高，所產(chǎn)生的電量也大大增加。
在上述兩個(gè)革新的基礎(chǔ)上，人們還進(jìn)行了其他一些革新。到了1844年左右，在法、德、英等國家，就已經(jīng)有龐大而笨拙的發(fā)電機(jī)給電解提供新的電源，并通過最初的電動(dòng)機(jī)給機(jī)器提供新的動(dòng)力了。
永磁式發(fā)電機(jī)的誕生，第一次把由熱能轉(zhuǎn)變來的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑥亩谷祟惱^熱能之后又獲得了一種具有廣闊前景的新能源。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(chǎng)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(shì)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(cè)試方法和制造工藝。
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(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)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(chǎng)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。
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。
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(chǎng)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。”他的這一說法充分說明了交流永磁發(fā)電機(jī)的市場(chǎng)前景不會(huì)被成本問題困擾。
永磁轉(zhuǎn)子特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)1：并聯(lián)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)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(chǎng)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。
優(yōu)點(diǎn)
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：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。
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)。
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。
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(chǎng)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%。
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)仍可正常工作。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。
7：特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作。
8：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。
結(jié)構(gòu)特性對(duì)比
1：永磁式發(fā)電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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)：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。
2：性能對(duì)比。（以28V、36A、1000W 發(fā)電機(jī)為例）
28V、36A、1000W 發(fā)電機(jī) | 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：體積溫升對(duì)比。如下表：
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，如下表：
3000W | 外徑（mm) | 長度（mm) | 重量（kg) |
JFYJ永磁發(fā)電機(jī) | Φ171 | 265 | 12 |
普通勵(lì)磁發(fā)電機(jī) | Φ200 | 310 | 24 |
前景
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活和國防科技等方面得到了很大的利用，大有發(fā)展壯大之趨勢(shì)。大功率發(fā)電機(jī)往往在豪華與超豪華空調(diào)車上使用。怠速時(shí)用電量較大，勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)只能通過增大主動(dòng)輪與發(fā)電機(jī)皮帶輪的速比來滿足該要求，而永磁發(fā)電機(jī)優(yōu)越的中低速發(fā)電性能正好能解決這個(gè)技術(shù)難題.
永磁發(fā)電機(jī)
車用空調(diào)安裝在車的側(cè)面，較接近地面，行駛過程中，灰塵，雜物易進(jìn)入發(fā)電機(jī)體內(nèi)，很容易造成勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)碳刷與滑環(huán)的接觸增大，從而影響發(fā)電機(jī)的正常工作；而永磁發(fā)電機(jī)無滑環(huán)，無碳刷，定轉(zhuǎn)子氣隙大，特別適合于在這種惡劣的工作環(huán)境下工作.
新一代的免維護(hù)蓄電池對(duì)充電電壓精度越來越高，永磁發(fā)電機(jī)優(yōu)越的發(fā)電性能和高精度的穩(wěn)壓技術(shù)，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(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(cè)，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(shì)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。
機(jī)房尺寸
發(fā)電機(jī)機(jī)房尺寸的說明十分重要，給購買發(fā)電機(jī)廠商提供了直接的技術(shù)參數(shù)，也給機(jī)房設(shè)計(jì)者提夠了參數(shù)和數(shù)字依據(jù)。但有幾個(gè)問題要注意：一，發(fā)電機(jī)擺放位置要有一定通風(fēng)空間，也就是長寬高要多出一定位置比如維修檢查要有空間。二，發(fā)電機(jī)伸出煙管部分要有位置能夠達(dá)到規(guī)定安裝部分。三，導(dǎo)風(fēng)位置的外墻是否好安裝？能否有足夠空間擺放
基礎(chǔ)知識(shí)
發(fā)電機(jī)的組成；主要是三大部分，發(fā)動(dòng)機(jī)，電球，控制器。它是四沖程。有水冷，風(fēng)冷，油冷之分。
保養(yǎng)
發(fā)電機(jī)的常見故障很多，主要是平時(shí)保養(yǎng)不到位或保養(yǎng)不及時(shí)引起。發(fā)動(dòng)機(jī)部分和汽車沒區(qū)別要養(yǎng)成良好保養(yǎng)習(xí)慣。及時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)去做像對(duì)待自己的愛車一樣對(duì)待發(fā)電機(jī)一樣可以做到未雨調(diào)繆
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作者
