風(fēng)力發(fā)電用永磁發(fā)電機(jī)的開發(fā)研究

摘要：風(fēng)力發(fā)電用永磁發(fā)電機(jī)（PMG），是在轉(zhuǎn)子上裝有永磁體的多極低速發(fā)電機(jī)，可直接與風(fēng)輪連接而運(yùn)轉(zhuǎn)，具有維護(hù)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。本PMG的開發(fā)中，選定最佳的磁體尺寸與配置，對(duì)各部的溫度進(jìn)行研討，利用FEM（有限元法）分析手段對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的外力及由磁力引起的PMG變形進(jìn)行了研究與檢測(cè)。而且，通過實(shí)際的負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)定了電氣特性等，已確認(rèn)質(zhì)量可靠，設(shè)計(jì)參數(shù)完全符合要求。 敘詞：風(fēng)力發(fā)電 永磁體 發(fā)電機(jī) 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           

近年因地球升溫問題嚴(yán)重，無CO2排放的自然能源的充分利用引人注目。作為自然能源，一般為太陽能與風(fēng)能。全世界都在興建風(fēng)力發(fā)電廠并不斷擴(kuò)大輸出功率，可望在今后的系統(tǒng)供電中發(fā)揮作用。在此背景下，“明電”公司開發(fā)了用于風(fēng)力發(fā)電的永磁發(fā)電機(jī)。2009年1號(hào)機(jī)組已制造出廠。本文闡述了PMG的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，并對(duì)開發(fā)中有關(guān)研討、驗(yàn)證的事項(xiàng)予以介紹。

2.    風(fēng)力發(fā)電用PMG的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

圖1所示為開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電用PMG外觀，圖2為其結(jié)構(gòu)斷面，額定參數(shù)列于表1。

本PMG因與風(fēng)輪直接連接，是與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一致的低速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的負(fù)荷重量由共用的一個(gè)軸承支撐，采用了這種單軸承的結(jié)構(gòu)。

定子的鐵芯和線圈安裝在圓筒形的機(jī)座內(nèi)，機(jī)座的外表面設(shè)有冷卻風(fēng)扇，為外殼表面冷卻結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)子是在圓筒形的輪輻表面裝有永磁鐵的單純結(jié)構(gòu)，因沒有勵(lì)磁線圈，故無需供轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流用的滑環(huán)和電刷，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

如上所述，本PMG因與風(fēng)輪直接連接，不設(shè)增速機(jī)構(gòu)，沒有機(jī)械噪音源的增速齒輪傳動(dòng)，故對(duì)降噪方面也是有利的。

圖1  風(fēng)力發(fā)電機(jī)用PMG外觀

多磁極的三相PMG，與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一致的低速發(fā)電機(jī)，能與風(fēng)輪直接連接運(yùn)轉(zhuǎn)，故無需增速機(jī)構(gòu)。
表1 風(fēng)力發(fā)電用PMG的額定參數(shù)

圖2  風(fēng)力PMG的結(jié)構(gòu)斷面圖

定子鐵芯和線圈配置在機(jī)座內(nèi)，永磁體安裝于轉(zhuǎn)子表面。是利用機(jī)座表面的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻的外殼冷卻結(jié)構(gòu)。

3 PMG開發(fā)中的研討與驗(yàn)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(yīng)避免不允許的退磁現(xiàn)象。對(duì)于永磁體來說，有可逆的退磁和不可逆的退磁，特別是因風(fēng)力發(fā)電機(jī)是設(shè)置在塔桿上，在其運(yùn)行期間，不得出現(xiàn)不可逆的退磁現(xiàn)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(dǎo)致的退磁以及由外部磁場(chǎng)導(dǎo)致的退磁。前者是在負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)內(nèi)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(duì)退磁的討論與對(duì)策     

PMG在短路事故時(shí)，要求具有充分的耐受強(qiáng)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(duì)于磁鐵的磁化特性來說，在某一磁場(chǎng)強(qiáng)度下存在急劇彎曲的拐點(diǎn)，這被稱之為居里點(diǎn)（即當(dāng)溫度高于此點(diǎn)時(shí)，順磁體的分子磁力消失）。當(dāng)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度超過這一居里點(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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)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(jì)算
藉助FEM（有限元法）磁場(chǎng)分析進(jìn)行了空載感應(yīng)電壓、三相短路電流、電感等PMG的特性計(jì)算。負(fù)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(jī)電壓；I—發(fā)電機(jī)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(shù)；T-轉(zhuǎn)矩； —電樞交鏈磁通； 
圖4所示為空載感應(yīng)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(yīng)電壓波形

藉FEM磁場(chǎng)分析求得的基本特性---空載感應(yīng)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(jì)算
（1）溫度計(jì)算方法    
風(fēng)力發(fā)電用PMG設(shè)置在塔桿上，冷卻風(fēng)扇安裝于機(jī)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(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)、藉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致內(nèi)部空氣的攪拌而進(jìn)行的冷卻。
因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通風(fēng)溫度的計(jì)算是利用由通風(fēng)及熱回路網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)法算定各部分的溫度。為了提高計(jì)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。例如制造過程中設(shè)想出現(xiàn)：風(fēng)扇與機(jī)座間、機(jī)座與定子鐵芯間、線圈與鐵芯之間等微小的間隙，應(yīng)作為回路上的熱阻抗來考慮。
圖6 所示為PMG僅在軸向上的溫度分布計(jì)算結(jié)果及溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。沿外殼表面冷卻風(fēng)的方向，PMG內(nèi)部的溫度變化（斜度）呈上升趨勢(shì)，顯示出與計(jì)算值同樣的傾向。而且，關(guān)于各部分的溫升值，其計(jì)算值均高于試驗(yàn)值，這是因?yàn)闊峄芈返臒嶙杩故褂昧讼胂笾圃煺`差的阻抗值，而在實(shí)機(jī)中比想象的阻抗值小。

圖6 PMG定子線圈的溫度分布
PMG軸向溫度分布顯示計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(rèn)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(yàn)，改變冷卻風(fēng)速下對(duì)比了計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。如圖7所示，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值顯示出共同的傾向，隨著風(fēng)速的改變，無論計(jì)算值或?qū)崪y(cè)值均顯示了相同的傾向，這點(diǎn)也已經(jīng)確認(rèn)。

圖7 風(fēng)速與線圈溫升的關(guān)系
（3）短路事故時(shí)的溫度     
與轉(zhuǎn)子上帶勵(lì)磁線圈的發(fā)電機(jī)不同，采用永磁體的PMG在轉(zhuǎn)速限度內(nèi)的感應(yīng)電壓不能為零，從而短路事故時(shí)在風(fēng)輪停止旋轉(zhuǎn)之前，短路電流一直存在。但是，本PMG為大型電機(jī)且為低速電機(jī)，因熱時(shí)間常數(shù)非常大，各部的溫度達(dá)到飽和的時(shí)間約10h，比較長；另一方面，從風(fēng)輪停止指令開始到實(shí)際停止僅數(shù)10s，故不存在發(fā)熱的問題。
3.4 齒槽效應(yīng)（cogging）轉(zhuǎn)柜
一般在具有永磁體的永磁電動(dòng)機(jī)中，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩是重要的設(shè)計(jì)因素。這一齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，例如在產(chǎn)業(yè)用伺服電動(dòng)機(jī)中會(huì)影響到定位控制的精度。電梯驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中則會(huì)影響到乘客的心情。而在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，因低速時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音，從環(huán)境角度看，對(duì)當(dāng)?shù)氐木用褚矔?huì)產(chǎn)生一定的影響。
齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩是未通電時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，是定子槽的磁導(dǎo)率（磁阻率的倒數(shù)）與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)空間高次諧波的相互作用而產(chǎn)生的。在每轉(zhuǎn)一周的定子槽數(shù)與極數(shù)成最小公倍數(shù)時(shí)即產(chǎn)生齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。
作為減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的方法：（1）藉設(shè)計(jì)磁鋼的不同形狀，使磁動(dòng)勢(shì)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，因制作過程中的微小誤差對(duì)結(jié)果的影響也很大，所以必須對(duì)制造精度予以細(xì)心注意。
圖8 所示為通過斜槽配置抵消齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的效果。分析時(shí)考慮了制造過程中容許的最大加工誤差。在實(shí)機(jī)中實(shí)測(cè)的結(jié)果，可得到與分析值相同的效果，這點(diǎn)已得到確認(rèn)。

圖8 齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩
3.5 絕緣系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常裝設(shè)在山間和沿海岸，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)不方便，故要求設(shè)計(jì)壽命一般在數(shù)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(shè)置于沿海岸的鹽害等不利因素。

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