电机作为机电能量转换的机械设备，其定子、转子电路、磁路所采用的拓扑结构、构成实体所应用的材料及设计、加工工艺，决定了电机的整体效能、各项参数和性能，是电机设计与其他战术技术指标分析的基础。

1.磁极

普通的电刷-滑环结构很难适应高速电机的要求，加之热损耗与摩擦损耗对电刷寿命与安全性的影响，高速永磁中频同步发电机都设计为旋转磁极式，且可以做成较少的磁极对数。与工频永磁电机相比，其对永磁体材料与磁钢设计具有较高的要求。

（1）永磁体材料

1）永磁材料的要求与选取。永磁材料的种类多种多样，性能差异很大，选取时应遵循以下原则：

①保证电机气隙有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。

②在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证永磁材料安全稳定的工作。

③具有良好的机械性能，便于加工和装配。

④具有良好的经济性，适合推广应用。

充磁机容量大小、充磁方法、永磁体的合金成分、制造工艺、磁场热处理工艺均会影响永磁体的性能，必须按照稳磁处理后的室温和工作温度下的实测退磁曲线选取永磁体。

2）适用的永磁材料。高速永磁发电机磁钢大多采用烧结型稀土永磁体，比较适合的有稀土钴（Co）永磁和钕铁硼永磁（N_d F_e B）。稀土钴永磁的特点是剩余磁感应强度B_r、磁感应矫顽力H_C及最大磁能积（BH）max都很高。钐钴（R₂ CO₁₇）永磁体的最大磁能积（BH）max已达到258.6kJ/m³，剩余磁感应强度B_r一般高达1.15T，矫顽力H_c可达800kA/m。稀土钴永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线与退磁曲线基本重合，抗去磁能力强。其剩余磁感应强度B_r的温度系数比铁氧体永磁低，居里温度一般为710～880℃，磁稳定性较高；但其价格较贵，且材质硬而脆，抗拉或抗弯强度较低，不适合复杂加工。钕铁硼永磁的磁性能高于稀土钴永磁，室温下的剩余磁感应强度B_r可达1.8T，矫顽力H_c可达992 kA/m，最大磁能积（BH）_max高达397.9kJ/m³。但其居里温度一般为350℃，温度系数较高，在高温使用时，失磁现象严重，磁性能的热稳定性较低，因此确定其最佳工作点十分重要。

（2）磁钢形状与极弧系数

1）磁钢形状与磁路。根据永磁电机气隙磁场的磁力线走向，可将磁路结构分为切向式、径向式和轴向式。切向式结构通常应用条形磁铁，采用平行充磁的方式，永磁体的磁化方向与气隙磁通接近垂直，离气隙较远，漏磁较多。径向式磁路结构大多应用瓦片形磁铁，采用径向充磁的方式，磁化方向与气隙磁通基本平行，漏磁较少。在一对极的两个永磁体提供磁动势时，只有一个永磁体截面提供每极磁通，气隙磁密值较低^［12］。目前轴向式磁路结构应用的高速永磁发电机的功率较小，但其磁路结构比切向式、径向式结构更为合理，同功率等级发电机的铁心饱和程度更低，转速也可以设计得更高。

图4-2 瓦片形永磁体的面电流模拟

2）极弧系数。磁钢的极弧系数对永磁体磁性参数、气隙磁通密度波形乃至整个电机的性能都具有重要意义，构成了永磁发电机设计、分析中的关键。现以图4-2所示的瓦片形永磁体为例，经过理论推导，认为永磁体可用等效面电流模拟，得到等效面电流表达式［6］。AB、CD上的等效面电流密度分别为J_C1和J_C2，BC、AD弧上的等效面电流密度分别为J_C1 sin β和J_C2 sin β。以极弧系数α_p、磁极高度与气隙长度之比h_m/δ，以及气隙长度与极距之比δ/τ为变量，可以计算出平行充磁两边平行瓦片形永磁磁极的计算极弧系数α_i＝f（α_p，h_m/δ，δ/τ）。

2.转子

高速永磁中频同步发电机的比功率与气隙磁感应强度的平方成正比，因此切向式转子磁路结构优于径向式转子磁路结构；但切向式转子磁路结构的漏磁较多，在极对数较少时，径向式转子磁路结构有优势。图4-3为两种磁路结构的磁路示意图。研究表明，在转速范围宽、大气隙、大转子直径的情况下，切向式结构可提供较大的功率输出；对于固定转速或速度变化范围较小的高速永磁中频同步发电机，则径向式结构具有较大的输出。国外基于MTG的高速永磁发电机大多采用两对极的瓦片形永磁体励磁，在稀土永磁体外固定套环，套环的材质可以是导热性能好的碳塑钢、非导磁的不锈钢圈或玻璃纤维。部分切向结构的永磁体有极靴，并有防滑动的铆钉或螺钉。图4-4为两种励磁结构的等效磁路。转子体硅钢片的厚度以0.35mm为宜，过大则易导致较大的涡流损耗，过小又易引起强度与刚度的问题。转子体各部分的装配须紧密，叠压良好，并努力做到平滑无飞边，这样既有利于减小损耗，又可改善发电机输出电压波形。

图4-3 两种磁路结构的磁路示意图

a）切向套环式 b）径向套环式

图4-4 两种励磁结构的等效磁路

a）径向磁化结构 b）切向磁化结构

3.定子(www.daowen.com)

（1）材料、装配与工艺 稀土永磁体的等效励磁磁动势较大，在定子电枢绕组中的感应电动势较大，电枢绕组线径较大，且严格对称，绝缘等级较高。高的绝缘安全并非以牺牲绕组间及绕组与定子体间的热传导性为代价，保证定子体可靠的散热是高速电机安全运行另一个重要方面。现在采用烧蚀法得到的0.35mm厚的冷轧低碳硅钢片，可以代替普通硅钢片作为定子冲片。其优点是铁损较小，尤其是高速、高频时更为明显。定子体各部分间也需紧密叠压，内表面尽可能做到光滑。

（2）槽形与绕组绕法 槽形设计以隔磁效果、热传导性、强度等因素的好坏为标准^{［14、15］}，常采用半开口梯形槽和平行齿梨形槽。定子槽数及电枢绕组的绕法以设定输出要求为准，常采用双层短距分布绕组。以径向结构的转子为例，发电机定子冲片为30槽，根据负荷的不同，可嵌放两套或三套三相对称绕组。对线电压而言，没有3次谐波分量，影响波形的主要为5、7次谐波。通过适当地选择绕组槽节距，可以有效地削弱5、7次谐波。为了消除齿谐波的影响，改善波形，定子铁心采用斜槽、半闭口槽结构，绕组采用分数槽绕组，其绕组分布见表4-2。由于采取了以上措施，发电机的电压波形正弦性良好。

表4-2 30槽分数槽定子绕组分布

注：A、B、C分别为三相电枢绕组的输出端，X、Y、Z分别为每相绕组的另一端，根据需要可将绕组接成星形或三角形输出。

4.导磁、导电及绝缘材料

（1）导磁材料 高速永磁中频同步发电机中的导磁材料，主要是指构成磁回路的铁心、极靴及永磁体构件的材料。某些情况下，也要求机座、极身等也具有一定的磁导率。

1）铁心材料。硅钢片作为电机铁心已具有相当长的历史，但作为高速电机的铁心材料，其在高频与高速时，特别是当永磁励磁磁动势很强，使铁心饱和或接近饱和时，其铁耗迅速增加，甚至达到了铜耗的水平。为了获得良好的特性，电机铁心用的导磁材料应该具有较高的导磁性能，并要求有较低的铁损耗（包括涡流损耗和磁滞损耗），特别是在接近饱和以后。在高速情况下，加工成形的铁心材料应具有较高的结构强度，可选择与转子铁心材料相同。

2）极靴材料。磁极中增加极靴的主要目的是改变极弧系数、改善气隙形状及磁感应强度波形。极靴不可太厚而消耗过多磁势，且要求它是磁导率相对较高。常用极靴材料都是合金软磁材料。

3）永磁材料。这一部分内容前文已作介绍，不再赘述。

（2）导电材料 电机的导电材料主要是指构成电回路的电枢导体的材料。电机的导电材料应该具有阻耗小、机械强度高、不易氧化与腐蚀、易加工与装配及价廉的优点。铜和铝均可作为高速电机的导电材料，但相比之下，铜的导电与力学性能更好，且不易氧化、容易焊接，因而更多采用表4-3列出电机用铜和铝的物理性能^［15］。

表4-3 电机用铜和铝的物理性能

电导线的截面有圆形、扁形和带状。按照绝缘层的特点和用途，电磁线又有漆包线、绕包线和其他种类电导线之分。鉴于高速永磁发电机的特点，其电磁线可选用如图4-5所示扁形漆包线，要求漆膜均匀、光滑、完全蔽覆，且漆膜较厚，化学与机械性能要好，漆膜损耗角正切值要小，能经受摩擦、弯曲、拉伸压缩处理。

（3）绝缘材料 电机中的绝缘材料用来把导电部分（铜线导体等）与不导电部分（铁心等）隔开，或把不同电位的导体隔开，如相间绝缘和匝间绝缘。绝缘材料价格较高、寿命及耐热性比导线及铁心差，其性能与加工工艺直接决定与影响了电机的性能与寿命。电机的绝缘结构决定于其运行温度，也受电压等级、制造与受力情况的影响。按其担负的任务可分为导线绝缘、匝间绝缘、相间绝缘及对地绝缘。

图4-5 条式电枢绕组的铺设

高速稀土永磁发电机对绝缘材料的基本要求如下：

1）具有良好的电性能。即要求电击穿、热击穿、放电击穿等击穿强度应较高；体积电阻率、表面电阻率应较大、漏电流较小；强电场下的介电系数应尽可能的小；高频与高压下的介质损耗应较小，以避免加速老化或热击穿。

2）具有良好的热性能。即具有良好的耐热、导热性能，较大的热容量，且线膨胀系数与导电材料应接近。

3）具有良好的力学性能。在线圈和绕组包扎、成型和嵌装过程中，能抗张、抗压、抗弯、抗剪、抗撕、抗冲击等。

4）具有吸湿性小、抗酸、抗碱、耐油性好、易加工、价格适当。

考虑到短时间短路时的冲击电流带来的大热量（可能达到150℃），电磁线的绝缘层的耐热度至少应达到F级水平，可以用聚酯亚胺漆包线或聚酰亚胺漆包线；槽绝缘、相间绝缘采用芳香族聚酰胺纤维纸复合箔、环氧酚醛玻璃布板；浸渍漆有溶剂的为聚酯浸渍漆或不饱和聚酯无溶剂。