永磁发电机磁饱和电流的定义、测定及工艺设计的制作方法

本发明隶属于“2018年国家重点支持的高新技术领域目录”中，先进制造技术范畴。

背景技术：

永磁发电机是近十年来迅速发展崛起的节能节料产品。其转子不需要励磁绕组、导电滑环、电刷，不消耗励磁电流和功率，与励磁发电机在同等输出功率的条件下相比较，可节能20～50％，体积、重量和消耗金属材料可减少40～60％。具有长寿命、易维护、可在尘埃和汽雾等恶劣环境下工作等优点，受到各行业的普遍欢迎，尤其是用于车、船等移动设备上。我国是稀土元素资源大国，制造永磁发电机转子永久磁铁的稀土材料丰富，故永磁发电机在我国市场和国际市场上有很大的发展空间。

但是，永磁发电机也有其本身固有技术缺陷，其转子磁场由永久磁铁形成，磁铁产生的磁力线随着转子的运转切割定子线圈产生感生电动势，发电机对外输出电压，外加负载后，就会产生负载电流，根椐楞次定律，负载电流所形成的磁场与发电机转子磁铁所产生的磁场方向相反，会冲抵一部分转子磁铁所形成的磁场，而运行中转子磁铁的磁场强度是恒定的，所以合成磁场强度下降，负载越重时，永磁发电机所发出的电压就越低。所以，永磁发电机所发出的电压是不稳定的，随着永磁发电机的转速及负载的变化而不断变化，永磁发电机不是一个理论上的恒压装置。

为使永磁发电机的负载得到一个相对稳定的电压，业内常用可控硅(晶闸管)装置进行调节稳压。将稳压装置串联在永磁发电机与负载之间，当永磁发电机输出电压升高时，可控硅开通角减小，使负载上电压降低；当永磁发电机输出电压降低时，可控硅开通角增大，使负载上电压升高。但是，这种稳压结构在永磁发电机高速、满负载工作条件时，效果并不理想。因为永磁发电机在高速条件时，输出电压很高，调压用可控硅减小，定子绕组流过时间很短；同时在满负载条件时，负载要求提供的平均电流最大，导致短时间内流过定子绕组线圈的电流成倍增加，而定子绕组线圈的电阻是恒定的，根据焦耳定律，线圈物产生的热量与电流的平方成正比，在此条件下，线圈无功损耗大幅增加，造成发电效率下降和定子发热二个不好的后果。用于车、船等移动设备上的永磁发电机多数时间工作在高速、满负载条件下，如何解决永磁发电机定子高热及发电效率低下的问题，这是国内外目前永磁发电机制造业遇到的技术难题。

本发明力图通过研究永磁发电机磁饱和电流的产生及规律，合理设计永磁发电机的磁饱和电流值，来解决这个技术难题。

技术实现要素：

本发明对永磁发电机输出的最大电流进行了研究，对磁饱和电流的产生给予了合理的解释，对磁饱和电流给予了明确的物理定义，对各种不同型号永磁发电机的磁饱和电流给出了测定方法，诠释了调整永磁发电机磁饱和电流的工艺设计，提出了运用磁饱和电流来解决永磁发电机在高速、满负载条件下，定子发热及发电效率下降的技术方案，指出了永磁发电机单机额定功率与磁饱和电流的关系。将对我国永磁发电机制造行业的基础理论研究和制造工艺创新起着重要的指导和推动作用。

先简述永磁发电机定子线圈电压产生的原理：永磁发电机的转子是永久磁铁，定子是绕有每相n匝线圈的绝缘绕组，有单相绕组和三相绕组二种结构。永磁发电机制造完毕，其转子上永久磁铁的磁场强度就固定下来了，永久磁铁在永磁发电机内的磁路上产生的磁通量记作ф，是不变的定值。当发电机在原动机带动下旋转时，转子上的磁力就线就切割定子线圈，在线圈中产生了感生电动势(在对外端子上俗称电压)，根据法拉第电磁感应定律，其计算公式是：

ε＝n＊δф/δt...................................................式1

上式中，ε是定子线圈中产生的感生电动势(在对外端子上俗称电压)；n是定子每相的圈数；δф是定子线圈中磁通量的变化量，ф表示磁通量，δ表示变化；δt是变化这么多磁通量所用的时间。

转子在空间每旋转过一对磁对极(1个s极加相邻的1个n极称一对磁对极)的位置，定子线圈中磁通量就由“0-s-0-n-0”这样的规律变化一次，磁通量的变化量δф将等于四倍永久磁铁的磁通量ф。单位时间内，转子在空间旋转过多少对磁对极，磁通量的变化量就增加多少倍，利用式1可以计算出定子线圈中产生的平均感生电动势ε。

假设将转速提高n倍，相同时间内变化的磁通量δф会增加n倍，对应的感生电动势ε也会增加n倍。这就是永磁发电机对外端子上的电压随转速增加线性增加的原理。

再讨论磁饱和电流的产生原理：上段所述的永磁发电机对外端子的电压，是指永磁发电机在空载条件下的情况，或者说是发电机对外输出电流零的情况。有不少人误就以此将永磁发电机认为成了一个恒压源，比如，当永磁发电机输出220v交流电压时，就将其看作市电220v交流电源一样，这是错误的。为什么呢？举例，你将220v市电接上一个100w的灯泡，它电压还是220v；再将它接上一个200w的灯泡，它电压也还是220v，市电具有恒压性质。而对空载电压220v的永磁发电机，将它接上一个100w的灯泡，它电压可能是210v；再将它接上一个200w的灯泡，它电压可能是200v，它不具备恒压性质。这是因为市电有发电厂在不停进行自动调压，保持了电压稳定；而未配接电压调节器的永磁发电机没有这样的能力。

永磁发电机输出电流后电压为什么会降低？因为永磁发电机输出的电流肯定要流过永磁发电机的定子绕组，这个电流也会产生一个磁通量，根据愣次定律，这个磁通量与转子永久磁铁的磁通量方向相反，会抵消永久磁铁的磁通量，我们把它记为ф反。由于ф反的存在，使得永久磁铁磁路中的ф减小了。对于永磁发电机相同的定子的匝数n、相同的转速而言，在相同的时间内的δф减少了，根据式1，永磁发电机的电压当然会降低。所以，永磁发电机输出的端子电压具有“软”特性，不能将其看作恒压源。

永磁发电机输出电流越大，输出电压越低。可不可能电流大到ф反＝ф，而使δф＝0呢？答，不可能。假设δф＝0，根据式1，永磁发电机感生电动势就等于零了。永磁发电机与负载组成的回路中没有了电动势，外电路中没有了电压，电流不可能产生和流动。所以ф反只能趋近于ф，而不能等于ф，更不可能大于ф。

一台永磁发电机输出电流最大值(将这个电流值记作im)能达到多少呢？im大到所产生的ф反，抵消永久磁铁磁路中的ф后，使ф减小到：根据式1，所产生的感生电动势ε，恰好在永磁发电机定子绕组与负载组成的回路中，根据欧姆定律能产生im时为止。此状态下，电路中磁电状态达到了平衡，反向磁通量“ф反”与正向磁通量“ф”趋近相等。

设某永磁发电机，在转速不变的条件下，负载电阻随某因素增大，相当于负载减轻，外电路电流减小，会引起如下反馈：

im↓→ф反↓→δф↑→ε↑→im↑........................................式2

式2指出，永磁发电机输出电流的最大值，随负载的变化是很小的，因为其具有自动负反馈作用。

设某永磁发电机，在负载电阻不变的条件下，转速随某因素增大，感生电动势ε相应增大，会引起如下反馈：

ε↑→im↑→ф反↑→δф↓→ε↓→im↓..................................式3

式3指出，永磁发电机输出电流的最大值，随转速的变化是很小的，因为其具有自动负反馈作用。

发明人测试了某永磁发电机，转速、负载与电流值三者的数据，制成关系图为说明书附图1。从图1可看到无论永磁发电机的转速、负载如何变化，永磁发电机的最大电流值最后均趋向于曲线的某最高值——im。

通过理论推导及实践测试都可得到：永磁发电机输出的最大电流是一个定值，与永磁发电机所带负载无关，与永磁发电机的转速无关，与永磁发电机输出的电压无关。因为该现象是在永磁发电机的反、正磁通量趋近相等的条件下产生的，发明人将这种最大电流值定义为“永磁发电机的磁饱和电流”。

说明书附图1中，曲线r0表示的是永磁发电机外电路电阻为零(负载最重)的条件，曲线r3表示的是永磁发电机外电路电阻最大(负载最轻)的条件，r1、r2是介于上述二者之间的条件。研究说明书附图1，可以发现，曲线r0在永磁发电机转速很低的条件下，就通过拐点接近于磁饱和电流值；而曲线r3在永磁发电机转速很高的条件下，再通过拐点接近于磁饱和电流值。这种图像很好解释，因为曲线r0表示的是外电路电阻为零，达到最大电流值拐点时，回路中所需电动势很低，当永磁发电机转速很低时，就能满足式1关系；而曲线r3表示的是外电路电阻最大，达到最大电流值拐点时，回路中所需电动势很高，只有当永磁发电机转速很高时，才能满足式1关系。

从另一个角度研究说明书附图1，我们找到了一个简易测定不同型号永磁发电机磁饱和电流的方法：将被测永磁发电机的对外端子接上电流表短路，启动原动机，缓慢增加永磁发电机转速，当转速增加到一个远低于永磁发电机的额定转速值时，永磁发电机对外输出的电流值不再增加，这个电流值就是该型号永磁发电机的磁饱和电流值。这种测定方法简易、快捷，且测试只需用较小功率。

研究永磁发电机的磁饱和电流，旨在于运用这个电流值来解决目前永磁发电机制造中所遇到的技术难题。

永磁发电机的磁饱和电流的存在，限制了单台永磁发电机的输出电流，同时限制了单台永磁发电机的输出功率。制造商要制造出单台大功率的永磁发电机，必须设法提高永磁发电机的磁饱和电流值。

根据辨证法，事物都是相对的，有一弊必有一利。磁饱和电流限制了永磁发电机的输出电流和功率，引起了制造工艺上的麻烦，但其也有作用。其应用表现在可提高永磁发电机在高速、满负载工作情况下的发热和效率问题。前面已讲到，永磁发电机在高速、满负载条件下，因为输出电压很高，须要减小可控硅的导通角来降低输出电压；又因工作于满载，对外输出电流最大，使得平均电量只能在较少的时间内流过发电机绕组，呈脉冲电流状，实际流过定子线组线圈的瞬时电流远大于额定电流，而引起绕组线圈发热并降低效率。但如果巧妙设计永磁发电机的磁饱和电流和负载电流，则可避免这种情况的发生。下面举例说明：

某型号汽车，配用24v120ah电瓶，要求满载时用电电流为27v100a，包括电瓶补充电和车用电器用电，用一台永磁发电机和一个可控硅调压器配套供电。假如设计永磁发电机的功率为3千瓦、磁饱和电流为100a，与汽车满载时所需电流相等。正常工作时，无论永磁发电机的转速多高，其输出电压自动调节到27v，电流恰为100a，调压所用的可控硅全开通，设备处于满负荷、高效率状态。

如用电负载因某种因素减轻，设到50a，可控硅全开通将引起电压升高，负载的电压电流信号立即被单片机(mcu)侦察到后，通过计算反馈，立即控制可控硅开通角为50％左右，在开通一半的时间内同样输出100a的磁饱和电流，经储能抑波电路处理后，平均输出效果等同于50a，此状态下，发电机损耗恰下降了一半，继续维持着满载时的高效率状态。其它负载状态不一一举例。

由上例可知，利用磁饱和电流可以很好地解决了本说明书背景技术部分提出的技术难题。所以，将永磁发电机的磁饱和电流值设计得与永磁发电机额定输出电流值相等，可以解决永磁发电机在高速、满负载运行状态下，定子线圈发热及发电效率降低的问题。

在永磁发电机的工艺制造中，提高单台永磁发电机的额定输出功率一直是制造商不懈的追求。要想提高单台永磁发电机的额定输出功率，必须提高永磁发电机的额定输出电压或增大额定输出电流。但在永磁发电机的磁路结构及转速不变的条件下，单纯用提高永磁发电机的额定输出电压的方法是不能提高单台永磁发电机的输出功率的。这是因为如提高永磁发电机的额定输出电压，在磁路结构及转速不变的条件下，只能增加定子线圈的匝数。例如将匝数增加一倍，此时输出电压倒是增加一倍了，但是磁饱和电流也会同时降低一半，二者相乘，额定输出功率并未增加。

用提高永磁发电机转速的方法可以提高单台永磁发电机的额定输出功率。这是因为转速提高后，输出电压增加，但磁饱和电流不变，或说是额定电流不变，因此额定输出功率得以提高。目前市场上有的数码永磁发电机，转速高达每分钟10000转，输出电压高达600伏，在总体积为880立方厘米的前提下，可输出5千瓦的额定功率。

用提高永磁发电机磁饱和电流的方法也可以提高单台永磁发电机的额定输出功率。如前论述，永磁发电机的磁饱和电流应设计成与额定输出电流等大，而提高额定电流值的唯一方法是提高磁饱和电流。

附图说明

图1是永磁发电机关于转速、外负载及电流关系图。

图中，横轴是永磁发电机转速v，竖轴是永磁发电机输出电流i。r0曲线表示的是永磁发电机外电路电阻为零(负载最重)的条件下，v与i的关系曲线；曲线r3表示的是永磁发电机外电路电阻最大(负载最轻)的条件下，v与i的关系曲线；r1、r2是介于上述二者之间的条件下，v与i的关系曲线。图中r0＜r1＜r2＜r3。虚线表示的是永磁发电机的磁饱和电流值im。

具体实施方式

从原理上看，接近磁饱和时，是因为定子线圈中电流的磁通量减弱了转子永久磁铁的磁通量。所以在工艺实施中，可以从减弱定子线圈中电流的磁通量和提高永久磁铁的磁通量二方面，用改进永磁发电机的结构来实施。

减弱定子线圈中电流的磁通量的措施有：减少定子线圈的匝数，减少定子线圈的磁靴和磁轭的面积。但这些措施同时会减少永磁发电机的输出电压，应均衡考虑采用。

提高转子永久磁铁的磁通量的措施有：采用有高残磁性能的材料制造永久磁铁，加强永久磁铁的充磁强度。这些措施同时会增加永磁发电机的输出电压，应予以首选。将上述二种措施搭配协调采用，会大幅提高永磁发电机的磁饱和电流。

定子线圈绕组采用多相并联的方法，也是提高永磁发电机磁饱和电流的一个有效方法。将永磁发电机定子线组中，相同相位的线圈绕组并联起来，每相线圈都有相同的磁饱和电流值，经并联，永磁发电机对外输出的总磁饱和电流按并联倍数翻倍增加，永磁发电机的额定输出功率也随之增加。