论有铁芯与无铁芯发电机效率高低
发布时间：2014-02-13     来源： 《中小型风能设备与应用》
本文摘要： 摘要：随风电技术的发展，独立中小型风力发电系统设备得到越来越广泛的运用，而作为风电系统的核心部件，发电机的选用越来越至关重要...
    
    摘要：随风电技术的发展，独立中小型风力发电系统设备得到越来越广泛的运用，而作为风电系统的核心部件，发电机的选用越来越至关重要，发电机的如何取舍对风电系统最终效果起着四两拨千金的关键作用，本文重点对无铁芯和有铁芯发电机启动扭矩，效率等做一对比分析，为风力发电系统对发电机的选用做初步参考。
 
    关键词：无铁芯；低启动扭矩
 
    引言
 
    在生活和工作中，在不同场合，常常听到有关于说有铁芯发电机效率高于无铁芯发电机，固此我们有必要对这一问题做一深入探讨和对比。
 
    1.发电机介绍发电机（英文名称：Generators）是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。
 
 
    发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的发电机，作为能量的转换部件，起着十分重要的作用。
 
    2.发电机主要结构
 
    发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。
 
    在本文中，主要探讨的是有关于有铁芯与无铁芯盘式发电机效率对比，在对比中，我们先通过理论分析，再通过实验，对输入和输出功率在不同转速下效率率进行对比，从中找到规律。
 
    3.在磁钢相同情况下分析
 
    a）理论分析通过对比（图3）、（图4）两种发电机结构（通常我们接触的主要为圆柱式，这里以盘式发电机为例，略去相同结构部分，并作适当简化），不难发现，在（图3）中，为无铁芯型式，其磁路磁动势简写为：F气隙3+F线包3+F磁钢3内+F铁01=F磁钢3（1）
 

 
    现在，我们来观察（图4），为有铁芯结构，不难发现，
 
    其磁路简写为：F气隙4+F线包4+F磁钢4内+F铁02=F磁钢4（2）
 
    由于线包4包在铁芯上，所以，式（3）也可为：F气隙4+F铁4+F磁钢4内+F铁02=F磁钢4（3）
 
    由于磁通：φ=F/R（4）R=L/μS（5）通过对式（1）、（3）对比分析，及公式（4）、（5），我们不妨设定参数如表1：
 
    通过计算，我们得R值如表2：
 
    针对上述表的结果，同时设定：
 
    F磁刚3=F磁刚4=F（6）结合公式（4），
 
    得：φ3≈0.076FS（7）φ4≈0.459FS（8）
 
    同时，我们知道，发电机电压：U∝dφ/dt（9）
 
    经过分析，我们发现，在磁钢相同情况下，有铁芯发电电压，远远高于无铁芯发电电压。
 
    从实际的结果，我们不难看出，在低速情况下，如磁钢数量相同，绕线参数相同的情况下，有铁芯发电电压远高于无铁芯发电电压，效率远高于无铁芯发电效率，但有铁芯发电机由于存在铁耗的影响，在实际测试中，此优势并没有得到有效体现，但有铁芯效率仍高于无铁芯发电机。

    b）样品测试
 
    根据上面理论分析结果，我们专门做了两台样机，磁钢相同，数量相同，并在同等转速下进行测量， 相关参数如表3：
 
 
    4.在磁通相同情况下分析
 
    a）理论分析
 
    下面，我们进一步对上述式（1）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）分析，从中不难得出，只要使：
 
    φ3=φ4（10）
 
    要使式（10）成立，我们必须提高F磁刚3，也就是通过磁刚的用量增加来提高磁动势。
 
    同时，通过在3中的样品结果分析并结合理论，我们不难得知：
 
    无铁芯发电机效率η3=（P铜耗+P摩擦）/P输入（11）
 
    有铁芯发电机效率η4=（P铜耗+P摩擦+P铁）/P输入（12）

 
    b）样品测试
 
    通过上述理论分析，按此要求，我们重新做一台无铁芯发电机，保证绕线参数相同情况下，通过调整磁钢用量，使电压相同，并在不同转速下对无铁芯发电机与有铁芯发电机再次对比，结果如下表4、表5：
 
    从表5中，我们可以看出，在磁强一致的同等条件下，无铁芯发电机效率优于无铁芯发电机，在低转速下优势不太明显，当转速不断增加后，无铁芯效率和有铁芯效率逐渐拉开差距，无铁芯发电机能更有效的转换能量。
 
    在实际制作过程中，在同等功率情况下，同等效率情况下，无铁芯重量只有有铁芯重量一半不到，大约在3份之1左右，同时，由于无铁芯有较大布线空间，这样，可以在增加用铜量同时，适当减少磁钢的用量，既较大增加了无铁芯发电机效率，同时又适当降低了成本。
 
    5.结论
 
    本文通过预先的理论分析，再通过实际制作对比，我们可以很清楚的发现：
 
    5.1在磁钢用量相同，绕线参数相同情况下，由于非铁物质的导磁率很小，有铁芯发电机电压远高于无铁芯发电机，虽然存在一定的铁损，但其效率仍较高于无铁芯发电机。
 
    5.2在磁通相同，绕线参数相同情况下，无铁芯发电机和有铁芯发电机效率差别不是明显，但随转速增加，无铁芯发电机效率明显优于有铁芯发电机。
 
    5.3由于有铁芯发电机的齿槽效应的存在，而无铁芯发电机主要为轴承摩擦，使无铁芯发电机的启动力矩远远小于有铁芯发电机，两者相差在几十倍以上，从能源利用和风机的启动来说，无疑，无铁芯发电机更适合风机的使用。

（靖江菲尔德斯风力发电设备有限公司 唐贵平）
关键词：铁芯 铁芯 发电机

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