風(fēng)力發(fā)電用永磁發(fā)電機的開(kāi)發(fā)研究

摘要：風(fēng)力發(fā)電用永磁發(fā)電機（PMG），是在轉子上裝有永磁體的多極低速發(fā)電機，可直接與風(fēng)輪連接而運轉，具有維護性能優(yōu)良的特點(diǎn)。本PMG的開(kāi)發(fā)中，選定最佳的磁體尺寸與配置，對各部的溫度進(jìn)行研討，利用FEM（有限元法）分析手段對運轉中的外力及由磁力引起的PMG變形進(jìn)行了研究與檢測。而且，通過(guò)實(shí)際的負荷試驗測定了電氣特性等，已確認質(zhì)量可靠，設計參數完全符合要求。 敘詞：風(fēng)力發(fā)電 永磁體 發(fā)電機 電氣特性 Abstract：PMG for wind-power generation is a kind of multi-pole low-speed generator with its rotor having PM installed. This allows for the direct connection of wind wheel, thus enjoying the advantage of easy maintenance. By this research, optimal manget size and configuaration are selected, temperature of each part is fully matched, and FEM analysis tool is used to look into and test PMG distortion resulting from outside force and magnetic force when it is in operation. Furthermore, real loan testing measures the electric features and verifies that the PMG is reliable and parameters completely meet related requirements. Keyword：Wind-power generation, Permanent magnet, Generator, Electric features
1. 前 言

近年因地球升溫問(wèn)題嚴重，無(wú)CO2排放的自然能源的充分利用引人注目。作為自然能源，一般為太陽(yáng)能與風(fēng)能。全世界都在興建風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)并不斷擴大輸出功率，可望在今后的系統供電中發(fā)揮作用。在此背景下，“明電”公司開(kāi)發(fā)了用于風(fēng)力發(fā)電的永磁發(fā)電機。2009年1號機組已制造出廠(chǎng)。本文闡述了PMG的結構、特點(diǎn)，并對開(kāi)發(fā)中有關(guān)研討、驗證的事項予以介紹。

2. 風(fēng)力發(fā)電用PMG的結構和特點(diǎn)

圖1所示為開(kāi)發(fā)的風(fēng)力發(fā)電用PMG外觀(guān)，圖2為其結構斷面，額定參數列于表1。

本PMG因與風(fēng)輪直接連接，是與風(fēng)輪轉速一致的低速旋轉發(fā)電機。風(fēng)輪與發(fā)電機轉子的負荷重量由共用的一個(gè)軸承支撐，采用了這種單軸承的結構。

定子的鐵芯和線(xiàn)圈安裝在圓筒形的機座內，機座的外表面設有冷卻風(fēng)扇，為外殼表面冷卻結構。

轉子是在圓筒形的輪輻表面裝有永磁鐵的單純結構，因沒(méi)有勵磁線(xiàn)圈，故無(wú)需供轉子勵磁電流用的滑環(huán)和電刷，維護簡(jiǎn)單方便。

如上所述，本PMG因與風(fēng)輪直接連接，不設增速機構，沒(méi)有機械噪音源的增速齒輪傳動(dòng)，故對降噪方面也是有利的。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機用PMG外觀(guān)

多磁極的三相PMG，與風(fēng)輪轉速一致的低速發(fā)電機，能與風(fēng)輪直接連接運轉，故無(wú)需增速機構。
表1 風(fēng)力發(fā)電用PMG的額定參數

圖2 風(fēng)力PMG的結構斷面圖

定子鐵芯和線(xiàn)圈配置在機座內，永磁體安裝于轉子表面。是利用機座表面的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻的外殼冷卻結構。

3 PMG開(kāi)發(fā)中的研討與驗證

3.1 磁鐵的選擇

（1）不可逆退磁

本PMG采用了釹鐵硼（NdFeB）系的永磁體。永磁體的處理應避免不允許的退磁現象。對于永磁體來(lái)說(shuō)，有可逆的退磁和不可逆的退磁，特別是因風(fēng)力發(fā)電機是設置在塔桿上，在其運行期間，不得出現不可逆的退磁現象。作為引起不可逆退磁的重要原因是:由于磁鐵暴露于高溫下導致的退磁以及由外部磁場(chǎng)導致的退磁。前者是在負荷運轉時(shí)電機內部及磁鐵本身的溫度上升造成的；后者則是起因于短路事故時(shí)的短路電流引起反向磁場(chǎng)造成的。

（2）對退磁的討論與對策

PMG在短路事故時(shí)，要求具有充分的耐受強度，而且起因于短路電流的反向磁場(chǎng)不允許產(chǎn)生退磁。

對于磁鐵的磁化特性來(lái)說(shuō)，在某一磁場(chǎng)強度下存在急劇彎曲的拐點(diǎn)，這被稱(chēng)之為居里點(diǎn)（即當溫度高于此點(diǎn)時(shí)，順磁體的分子磁力消失）。當反向磁場(chǎng)強度超過(guò)這一居里點(diǎn)時(shí)，磁鐵則產(chǎn)生不可逆退磁。

圖3所示PMG短路時(shí)的反磁場(chǎng)，是通過(guò)磁場(chǎng)分析求出。我們選用了高矯頑力的釹鐵硼磁體，即使帶負荷運轉時(shí)的磁鐵溫度下產(chǎn)生短路，這種磁體具有的居里點(diǎn)也能克服反向磁場(chǎng)的退磁作用。

圖3 三相突發(fā)短路時(shí)的反磁場(chǎng)
藉磁場(chǎng)分析求出瞬間短路時(shí)反向磁場(chǎng)的大小，是選定磁體的重要特性。
3.2 PMG的特性計算
藉助FEM（有限元法）磁場(chǎng)分析進(jìn)行了空載感應電壓、三相短路電流、電感等PMG的特性計算。負載特性由式（1）～式（4）等值電路方程式求得。
(1)

（2）

（3）

式中： V—發(fā)電機電壓；I—發(fā)電機電流；Vd、Vq—d軸、q軸電壓；
id、iq—d軸、q軸電流；Ld、Lq—d軸、q軸電感；R—電樞阻抗； —角速度 —極數；T-轉矩； —電樞交鏈磁通；
圖4所示為空載感應電壓的波形，為畸變小的正弦波，圖5為三相突發(fā)短路時(shí)的電流波形。

圖4 空載感應電壓波形

藉FEM磁場(chǎng)分析求得的基本特性---空載感應電壓波形，為畸變小的正弦波。

圖5 三相突發(fā)短路電流波形
藉FEM磁場(chǎng)分析求得的基本特性---三相突然短路電流。
3.3 PMG的溫度計算
（1）溫度計算方法
風(fēng)力發(fā)電用PMG設置在塔桿上，冷卻風(fēng)扇安裝于機座表面，PMG的冷卻是利用外部空氣進(jìn)行外殼表面的冷卻，以及從氣道向PMG內部進(jìn)行強制通風(fēng)、藉轉子旋轉導致內部空氣的攪拌而進(jìn)行的冷卻。
因為結構比較簡(jiǎn)單，通風(fēng)溫度的計算是利用由通風(fēng)及熱回路網(wǎng)的節點(diǎn)法算定各部分的溫度。為了提高計算的精度，要使這一等值熱回路網(wǎng)更接近實(shí)際的情況，這一點(diǎn)很重要。例如制造過(guò)程中設想出現：風(fēng)扇與機座間、機座與定子鐵芯間、線(xiàn)圈與鐵芯之間等微小的間隙，應作為回路上的熱阻抗來(lái)考慮。
圖6 所示為PMG僅在軸向上的溫度分布計算結果及溫度實(shí)驗結果。沿外殼表面冷卻風(fēng)的方向，PMG內部的溫度變化（斜度）呈上升趨勢，顯示出與計算值同樣的傾向。而且，關(guān)于各部分的溫升值，其計算值均高于試驗值，這是因為熱回路的熱阻抗使用了想象制造誤差的阻抗值，而在實(shí)機中比想象的阻抗值小。

圖6 PMG定子線(xiàn)圈的溫度分布
PMG軸向溫度分布顯示計算值與實(shí)測值有相同的傾向，溫度的差異是由于假定值與實(shí)際值不同所致。
（2）外表面冷卻風(fēng)速的影響
已確認PMG的冷卻取決于外殼表面的風(fēng)速，因而影響到PMG的溫度。然后進(jìn)行了降低PMG功率的試驗，改變冷卻風(fēng)速下對比了計算值與實(shí)測值。如圖7所示，計算值與實(shí)測值顯示出共同的傾向，隨著(zhù)風(fēng)速的改變，無(wú)論計算值或實(shí)測值均顯示了相同的傾向，這點(diǎn)也已經(jīng)確認。

圖7 風(fēng)速與線(xiàn)圈溫升的關(guān)系
（3）短路事故時(shí)的溫度
與轉子上帶勵磁線(xiàn)圈的發(fā)電機不同，采用永磁體的PMG在轉速限度內的感應電壓不能為零，從而短路事故時(shí)在風(fēng)輪停止旋轉之前，短路電流一直存在。但是，本PMG為大型電機且為低速電機，因熱時(shí)間常數非常大，各部的溫度達到飽和的時(shí)間約10h，比較長(cháng)；另一方面，從風(fēng)輪停止指令開(kāi)始到實(shí)際停止僅數10s，故不存在發(fā)熱的問(wèn)題。
3.4 齒槽效應（cogging）轉柜
一般在具有永磁體的永磁電動(dòng)機中，齒槽效應轉矩是重要的設計因素。這一齒槽效應轉矩，例如在產(chǎn)業(yè)用伺服電動(dòng)機中會(huì )影響到定位控制的精度。電梯驅動(dòng)電動(dòng)機中則會(huì )影響到乘客的心情。而在風(fēng)力發(fā)電機中，因低速時(shí)的齒槽轉矩產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音，從環(huán)境角度看，對當地的居民也會(huì )產(chǎn)生一定的影響。
齒槽效應轉矩是未通電時(shí)的轉矩脈動(dòng)，是定子槽的磁導率（磁阻率的倒數）與轉子磁動(dòng)勢空間高次諧波的相互作用而產(chǎn)生的。在每轉一周的定子槽數與極數成最小公倍數時(shí)即產(chǎn)生齒槽效應轉矩。
作為減小齒槽效應轉矩的方法：（1）藉設計磁鋼的不同形狀，使磁動(dòng)勢的波形盡量接近正弦波；（2）利用斜槽配置抵消定子槽部的空間高次諧波。這兩個(gè)通用的方法是很有效的。此外，因制作過(guò)程中的微小誤差對結果的影響也很大，所以必須對制造精度予以細心注意。
圖8 所示為通過(guò)斜槽配置抵消齒槽效應轉矩的效果。分析時(shí)考慮了制造過(guò)程中容許的最大加工誤差。在實(shí)機中實(shí)測的結果，可得到與分析值相同的效果，這點(diǎn)已得到確認。

圖8 齒槽效應轉矩
3.5 絕緣系統
風(fēng)力發(fā)電機通常裝設在山間和沿海岸，對發(fā)電機進(jìn)行維護不方便，故要求設計壽命一般在數10年之久。因此必須考慮由變頻器（變換器）產(chǎn)生的浪涌（surge）電壓和設置于沿海岸的鹽害等不利因素。

這次，PMG定子線(xiàn)圈采用的絕緣系統是：電線(xiàn)為云母涂層，主絕緣采用集成的云母帶，特別加強了線(xiàn)卷端部與連接部的防水密封性。絕緣性能的驗證是在模型線(xiàn)卷及實(shí)機上進(jìn)行了以下試驗：（1）局部放電試驗；（2）絕緣破壞試驗；（3）污損試驗；（4）耐熱壽命試驗；（5）熱循環(huán)試驗；（6）浸水試驗（實(shí)機）。
通過(guò)這些試驗的驗證，本PMG的絕緣系統在防電暈（coronafree）和耐鹽害等性能上獲得了充分滿(mǎn)意的結果。
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