永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展

廖煒僖

（大唐新能源廣西公司，廣西 桂林 541004）

永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展

廖煒僖

（大唐新能源廣西公司，廣西 桂林 541004）

風力資源的有效開發利用，為人們的生產生活提供了更加環保、便利的動力基礎。風能發電作為現階段供電企業提供電力的重要生產方式，對社會經濟的整體發展有著十分重要的影響。電機是風力發電的基礎環節，對風力系統的有效運轉提供了有力的保障。文章根據永磁電機的類型與特點，對其在風能發電系統中的應用與發展趨勢進行了探究。

磁通方向；齒槽脈動轉矩；防失磁措施；永磁電機；風力發電系統；風力資源

1 永磁電機的應用類型

永磁電機根據其磁通方向為分類標準，主要可以劃分為徑向磁通、軸向磁通與橫向磁通三種不同磁通走向的類型。在風力發電系統中，根據其使用功能的不同，三種永磁電機的適用形式也有所不同。

1.1 徑向磁通永磁電機

徑向電機的磁通走向顧名思義，磁通在電機中的運轉模式主要是直線流通，由于轉子的內外不同，電機的結構也存在較大的差異。徑向永磁電機通過面貼、埋入等方式在轉子上進行永磁體的安裝。該種永磁電機的特點是，造價成本相對較低，制造工藝并不復雜，生產模式簡單，并且由于徑向磁通永磁電機的規格多樣，可以滿足不同風能發電系統的技術要求，因此適用范圍較廣，是當前階段風力發電應用永磁電機的首選。

1.2 軸向磁通永磁電機

軸向電機產生圍繞機組流轉的磁通，由于電機的組織結構不同，分為有槽式軸向磁通永磁電機與無槽式軸向磁通永磁電機、雙轉子軸向磁通永磁電機等電機構造。軸向電機因其電磁走向呈環狀，因此繞組方便，尤其是無槽式電機的轉動時產生的振動幅度與噪音較小，方便使用。與此同時，無槽式軸向磁通電機由于規模較大，需要的部件較多；無槽式軸向磁通電機的部分設備部件的加工工藝較為復雜，操作需要的專業水平較高，不利于其在規模較大的風電系統中應用。

1.3 橫向磁通永磁電機

作為永磁電機的三種主要結構類型之一，橫向電機的磁通與轉子的運行方向呈90°夾角，可以有效增加繞組的空間，并且不對磁通運轉空間造成影響。按照其拓撲構造的不同，可以分為爪極式、單雙邊式、C形鐵心等形式。由于構造結構與加工工藝過于復雜，漏磁現象嚴重，力量密度變卦不穩定等，所以只適用于氣隙小的風力發電系統。與此相對應的，該種電機的繞組較為簡單、力量密度也相對較高，因此也是當前階段較為常見的永磁電機之一。

2 永磁電機在風力發電系統應用過程中應該注意的問題

2.1 在風力發電的過程中減小齒槽脈動轉矩

電機的脈動主要是指在永磁電機要扭轉的過程中，由于轉子永磁體與貼心的行對運動而導致的電機設備出現振動的情況。電機的齒槽脈動會發出噪音，并在一定程度上增加電機運轉的阻力，提高能源損耗率。對電機進行齒槽脈動轉矩的測試獲得的數據，是衡量電機使用功能的重要參考依據。為此在風能發電系統中運用永磁電機時，應運用合理的手段降低電機的齒槽脈動轉矩，提高永磁電機的使用性能。

首先，采取合理的分數槽的繞組方式是實現齒槽轉矩脈動保持在標準范圍內的重要方式之一。根據調查發現，每極每相分數槽繞組的公式中每極每相槽數與電機的槽數成正比，級數越小，齒槽轉矩數越小。通過降低級數與槽數可以有效控制齒槽轉矩的脈動，將噪音與振動控制在合理的范圍內。

其次，對極弧系數的科學選擇。極弧系數即電機的磁極寬度與極距比例系數，對永磁體與鐵心相對運動的距離與位置有著重要的影響。根據風力發電系統的實際運轉情況與其技術要求，對極弧系數進行合理的選取，不僅能夠有效降低齒槽轉矩的脈動，還可以通過對磁通大小的控制，對電機能源的損耗程度與成本進行管控。因此，為保證風力發電系統的運行效率，提升能源的使用效率，降低無效成本的投入，對電機的極弧系數進行選取時，要對系統各環節的運行要求實現綜合性的考慮分析，在降低齒槽脈動轉矩的基礎上實現對能源的合理配置。

最后，通過對斜定子槽或磁極的控制，降低脈動。這種對齒槽轉矩脈動的消除方式在過去較為常見，但由于其加工工藝過于復雜，增加了電機的使用成本，因此已經逐漸被其他模式取代。

2.2 永磁體的防失磁措施

永磁電機在風力發電系統中的主要運轉方式是通過轉子永磁體、鐵心運動等方式來為風力發電提供動力的，為此保證電機的磁性能不受影響是確保風力發電系統正常運轉的基礎。對電機電磁性能的防護，不僅包括對設備防氧化、防腐蝕等機械設備的養護，同時還應采取科學的方法，防止電機磁性能的減退。永磁電機的制造與加工通常采用特殊材料：釹鐵硼。針對這種材料的使用與養護特點，主要從兩個方面確保電機的電磁穩定性，電機運行環境與設備自身的溫度要保持在標準范圍之內；電機運行產生的磁場不能超過臨界值。針對永磁電機的使用特點，其主要的預防措施包括以下三點：

首先，針對永磁電機的運轉特點，為確保轉子的溫度不超過臨界值，應在機體部分使用耐高溫的制作材料，一般要求材料可以承受150℃以上的溫度，并且不會影響電機的使用。

其次，在永磁電機進行風能發電時，保證其工作環境符合標準，同時要確保設備的散熱系統運行正常，能夠及時降低設備運轉溫度。在電機工作的實踐環節，對溫度的分布情況進行測試，針對高溫區域進行散熱，保證其溫度不超過標準值，降低對材料的磨損，保障風能發電系統的正常運轉。

最后，應考慮永磁電機的實際運轉情況，對電機的規模、型號進行合理的選擇。永磁電機的失磁情況并不是整體磁性能的退化，而是從局部工作點開始，因此在永磁電機的選擇上要實現對其矯頑力進行有效的測試，選擇在最大去磁條件下，工作點在退磁數值之上的永磁電機。

3 永磁電機在風力發電系統中的發展

近幾年，越來越多的發電廠開始以風力能源作為發電系統的主要動力，風力發電機開始逐步向大型化發展。永磁發電機作為大型風力發電系統的重要組成部分，為順應現代化經濟的發展，滿足更多企業、個人的用電需求，相關單位不斷對其進行新功能開發，以期為供電產業的發展提供更加有力的保障。

3.1 電機結構型式

在電機的結構方面，可以通過增加設備直徑，提高其運動速度來提升電機運行效率，降低機器的重量與面積。如從增大直徑與減少電機體積兩方面出發，研制的超薄型徑向磁通電機——NewGen。這種直徑長與體積小的永磁電機，由于其攜帶方便、使用簡單的特點，已經成為當前階段永磁電機研究的重點發展方向。與此同時，由于鐵心的重量在永磁電機的總重量所占比重較高，因此進行電機設計時，可以考慮去掉鐵心，設計無鐵心定子永磁電機，在減輕電機中力量的同時，對降低齒槽脈動噪音與震動的幅度，減少能源損耗也有著十分重要的作用。

3.2 電機冷卻技術

近年來，電機冷卻技術研發非?；钴S，例如低速直驅永磁風力發電機，由于體積和散熱面積較大，一般采取自然和強迫風冷。大功率的中速和高速永磁風力發電機，由于熱負荷較大及散熱面積有限，多采用水冷方式。改進散熱條件和增加散熱能力，有利于提高電機的電磁負荷從而減小電機的體積和重量。近來對于風力發電機采用先進冷卻技術的研究十分活躍，在開發傳統冷卻功能的基礎上，對電機的蒸發冷技術與高溫超導技術進行了深度技術挖掘。

3.3 電機控制技術

永磁電力風機發電系統電機控制技術的發展方向，主要集中在提高機組效率、電能質量以及運行可靠性方面，從發電機控制、功率變換控制方面來看，采用多繞組、多相結構，既能夠提高系統運行可靠性，又能夠保證電機的出力。

3.4 電機制造工藝

電機制造采用模塊化方向發展，主要是因為該種制作方式具有便于制造、運輸、現場安裝以及檢修等。

3.5 功率變換技術

受變流器制造成本的制約，目前3MW以下的永磁風力發電機多采用額定電壓為690V的變流器。隨著功率的增大，采用低壓變流器會使發電機的額定電流過大，繞組出線過粗，不僅產生較大的線路損耗，而且造成機組安裝和維護的諸多不便。3MW以上的風力發電機，逐漸向提高額定電壓采用中壓（3～6kV）變頻器方向發展。永磁風力發電機采用的全功率低壓變流器，多采用兩電平的背靠背雙PWM變流器拓撲結構，而中壓變流器采用多電平結構，采用AC-DC-AC功率變換方式。采用矩陣變流器的AC-AC直接功率變換系統，省去交流側的濾波器和直流側的電解電容，可節約成本和提高變流器效率，是功率轉換技術的發展趨向之一。

4 結語

永磁電機相較于傳統的電機，具有高效能、高運轉、高安全性等特點，為此現階段，已經被廣泛地應用于風能發電系統中來。然而，由于永磁電機的生產、加工過程中需要大量的稀土材料，其生產成本較高，無法在風能發電領域得到大范圍的普及。在此基礎之上對永磁電機進行合理的應用，維護其使用質量，延長電機的使用壽命，是電力產業快速發展的重中之重。相關技術領域應針對永磁電機的運行特點，加強對電機結構、冷卻、增速、功率變換等方面的功能研發，為供電產業快速、綠色、健康的發展提供技術層面的支持。

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（責任編輯：王 波）

TM273

1009-2374（2017）12-0134-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.069

廖煒僖（1968-），男，湖南新化人，大唐新能源廣西公司工程師，研究方向：電力工程技術（偏管理）、風力發電。

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