1.电气性能

（1）额定参数 这是衡量电机在正常工作状况下的标准性能指标，主要包括高速永磁中频同步发电机的额定功率、相数、额定相电压、额定转速、额定频率、功率因数及效率。

1）额定功率。发电领域的高速永磁中频同步发电机的功率等级主要有15kW、30kW、45kW、60kW、75kW、100kW。电机的额定功率主要由电磁负荷及材料、结构尺寸确定，在安全与稳定性要求范围内，增加的电磁负荷与结构尺寸应成适当的比例关系，否则将造成过载老化，影响安全性或造成材料上的浪费。

2）相数。商品化机组的输出都为三相四线制。输出相位数的多少根据输出电能的要求由电枢绕组的布线方式决定，即跟分布绕组的内部连接关系有关。相位数多时，相与相之间的相位角小，输出电能的幅值波动可能较小，对稳压的要求不高。

3）额定电压。高速永磁中频同步发电机额定电压较高，覆盖几百伏特到几千伏特的范围，但经过双向功率变换器后其电线电压与普通动力电源相同，在我国为380V，而在欧美为480V。额定电压值的大小与电枢导体有效长度、转子旋转速度、串联绕组匝数、磁感应强度等成正比。

4）额定转速。尽管高速永磁电机的转速在5～12万r/min。某一型号电机的额定转速是一规定值，其大小受励磁极对数、轴承等构件的承受性等因数影响。极对数大、空气轴承可承受的转速低、电枢导体的有效长度长、构件的刚度小及对电压等级的要求低时，额定转速值可以稍小。高速永磁电机的实际转速由原动机决定。

5）额定频率。这是指电机处于额定工作状态时单相交流电的频率，其值通常在1000Hz以上。额定频率与电机额定转速及励磁极对数成正比。

6）效率。高速永磁中频同步发电机的效率是输出电能功率与所接受原动机输入机械功率的比值。发电机的效率受各种损耗的影响，额外损耗大时，发电机的效率就低。由于无需电励磁功率，铜损耗相对较小，因此，高速永磁中频同步发电机的效率，高于普通永磁发电机和电励磁发电机，达到90％以上。

（2）电压调整率 电压调整率ΔU（或称固有电压调整率），是指在负荷变化而转速保持不变时电压的变化范围。在高速永磁中频同步发电机制成后，发电机的励磁除去电枢反应去磁等因素的影响后是基本固定的，其气隙磁场的调节较为困难^{［21、22］}。

当发电机带电感性、阻性负荷时，其电枢反应的影响是去磁，端电压将随负荷增加而减小。与电励磁发电机的外特性不同的是：稀土永磁发电机的电枢反应去磁作用较小，外特性较硬^［23］。图4-17示出永磁同步发电机的外特性，图中实线为高速永磁中频同步永磁发电机外特性曲线，虚线为电励磁发电机外特性曲线。图4-18和图4-19是独立供电时，分别突加电阻性负荷和电感应起动电机引起的电压降落。

图4-17 永磁同步发电机的外特性

图4-18 电阻性负荷从15kW突加到30kW引起发电机输出电压降落

在发电机设计时，可以通过降低电枢反应去磁磁通量、减小电枢电阻和漏抗来降低电压调整率^［15］。

1）降低电枢反应去磁磁通量方法。可以采用增大永磁体的抗去磁能力、增大永磁体磁化方向长度、减少电枢绕组每相串联匝数，以及增加转子漏磁导等方法削弱电枢反应对永磁体的影响。

图4-19 突加5马力起动电机引起发电机输出电压降落

2）减小定子漏抗方法。可以采用选择宽而浅的定子槽形、减少电枢绕组每相串联匝数、适当加大气隙长度、加大长径比等方法实现。

3）通过减少电枢绕组每相串联匝数和增大导体截面积来减小电枢电阻。

高速永磁中频同步发电机主要采用下列方法调节输出电压：

① 串联电容调压法。

② 附加直流磁化绕组调压法。

③ 利用电力电子变换器调压法。

④ 双转子或双定子调压法。

⑤ 组合励磁永磁同步发电机调压法。

（3）短路电流 在发电机输出端或内部绝缘破坏，使得相与相之间或相与中线之间发生直接接触时，发电机即出现短路现象。永磁同步发电机的短路过程可分为暂态与稳态两个阶段，相应的有超瞬态短路电流Ix_d″、瞬态短路电流Ix_d′、稳态短路电流Ix_d，以及超瞬态短路电流I_K″、瞬态短路电流I_K′和稳态短路电流I_K。短路时，通常有Ix_d″＜Ix_d′＜Ix_d及I_K″＞I_K′＞I_K［24］。永磁同步发电机短路电流随时间变化如图4-20所示。

短路电流对永磁体去磁的影响与下列因素有关：

1）短路电流的倍数越大，去磁现象越明显。(www.daowen.com)

2）设有软铁极靴、极间绕组非导磁材料及转子体阻尼笼时，暂态短路电流对永磁体去磁的影响大大减弱，接近于稳态短路电流的去磁影响。

3）对无极靴的转子磁路结构，由于永磁体的电导率很大，几乎没有阻尼作用，暂态短路电流的去磁影响很大。

（4）电动势波形畸变率 电动势波形作为衡量发电装备性能的一项重要指标，通常以电压波形正弦畸变率k_U来表示，其计算式如下：

图4-20 永磁同步发电机短路电流随时间变化 1—有阻尼的电励磁同步发电机 2—有阻尼的永磁发电机 3—无阻尼的永磁发电机

式中，U_u为线电压中u次谐波的有效值；U₁为线电压中基波的有效值。

为了改善电压波形，可以采用分布绕组、短距绕组、改善气隙磁场波形等方法。气隙磁场波形与气隙形状、极弧系数a_i、有无极靴及稳磁处理方式有关。空载时，气隙磁场波形可近似地认为是宽为α_iτ，幅值为B_δ矩形波，见图4-21。极靴的形状及极弧系数的大小以使气隙磁场波形接近正弦波为准。

图4-21 永磁同步发电机气隙磁通密度基波波形

2.起动性能

（1）起动过程 作为微型燃气轮机发电机组的起动电动机时，电动机以蓄电池电能经逆变提供的交流电能变频起动，带动机组到达约4000r/min（约418rad/s）的转速时（不同压缩机设计要求的MTG最低点火转速不同），压缩机提供的进气压力达到微型燃气轮机最低点火起动要求；此后，蓄电池供电停止，机组经过一二分钟的暖机后，将加速达到额定状态，永磁电机转为发电机运行，输出高频电能^［25］。

（2）起动特点 起动时，利用蓄电池的直流电能，双向功率变换器向永磁电机提供变频交流电能。图4-22示出MTG电气控制与变换系统。这种起动装置的功率容量只要电动机容量的1/5～1/4，起动加速时功率消耗小，对系统冲击较小。变频电能的频率从低频调到高频，电机的转速随着频率同步上升。从微观上讲，由于频率变化不可能是无级的。频率每增加Δf，有一定时间间隔Δt，加之电动机转动系统有一定的机电时间常数，所以起动时是异步运行与同步运行交替进行，间或出现振荡^{［26、27］}。通常要求机组起动过程不超过两分钟时间。这是基于MTG应用中的永磁电机的起动是恒负载起动，拖动对象主要为涡轮机叶轮、压缩机叶轮等（不考虑后期进气压力影响）。由于叶轮机构主要以轻质合金材料制作，起动时的转动惯量较小，如果功率匹配适当，不会出现因为转差较大而失步的情况。可认为电动机为恒定负荷作匀加速运行，直到微型燃气轮机起动工作结束。用变频电源供电可以实现永磁同步电动机的软起动，避免了其他方式起动时电流过大或功耗过大的不利影响。

图4-22 MTG电气控制与变换系统

（3）仿真分析 为了弄清电机实际起动过程，参照文献^［28］利用Matlab软件建立如图4-23所示的电机起动仿真模型。电机采用四极钕铁硼永磁体励磁，设计功率等级为1.5kW，最高转速为12000r/min，由PWM型逆变电源供电。逆变电源经过受控电压源接到电机定子绕组，起动过程中负荷转矩恒为0.5N·m，使用内环转子转角与外环电机转速两条闭环控制。

图4-23 PWM逆变电源供电的永磁同步电机起动仿真模型

注：V_α、V_β—α、β坐标系下电动机相电压（V）；I—相电流（A）；ω_m—电动机角速度（rad/s）。

定子电流在整个起动瞬态过程中作正弦变化，但存在畸变问题。图4-24示出起动时定子相电流变化曲线。这是由于PWM型逆变器工作的结果，同时也反映在永磁电机的电磁转矩变化上，存在微小波动，特别是在转子提速的后期。图4-25示出电机起动时转速变化曲线。加大转动惯量J不利于电机的起动，轻则加长起动时间，重则无法进入同步。加大参数Ix_q/Ix_d的值，电机脉动转矩将增大，起动时间延长。由于转动惯量与负荷的原因，转速的上升较为平稳。图4-26示出同步电机起动过程的转矩变化曲线。

图4-24 永磁同步发电机起动时定子相电流变化曲线

图4-25 永磁同步电机起动时转速变化曲线

从仿真结果可以看出，电机在额定负荷范围内起动时，达到了预定的转速要求。与实际情况比较，由于模型中忽略了电机的时间常数及整个传动系统的配合时间差，使得仿真的起动过程用时少了近0.5s。通常认为转子电阻增大一些，可使驱动转矩加大，对起动有利。转子电阻增大过多时，对电机的起动并不有利，这时的起动时间将加长［29］。由此可见，在设计永磁同步电动机时，必须合理选取参数，以使电机满足其工作环境、起动条件、负荷惯量，以及其他的运行要求。

图4-26 永磁同步电机起动过程的转矩变化曲线