永磁電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用及其發(fā)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(fā)電系統(tǒng)中的應用及其發(fā)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(fā)利用，為人們的生產生活提供了更加環(huán)保、便利的動力基礎。風能發(fā)電作為現(xiàn)階段供電企業(yè)提供電力的重要生產方式，對社會經濟的整體發(fā)展有著十分重要的影響。電機是風力發(fā)電的基礎環(huán)節(jié)，對風力系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)中的應用與發(fā)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(fā)電系統(tǒng)；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(fā)電系統(tǒng)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(guī)格多樣，可以滿足不同風能發(fā)電系統(tǒng)的技術要求，因此適用范圍較廣，是當前階段風力發(fā)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(huán)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(guī)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(yè)水平較高，不利于其在規(guī)模較大的風電系統(tǒng)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(xiàn)象嚴重，力量密度變卦不穩(wěn)定等，所以只適用于氣隙小的風力發(fā)電系統(tǒng)。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(fā)電系統(tǒng)應用過程中應該注意的問題

2.1 在風力發(fā)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(xiàn)振動的情況。電機的齒槽脈動會發(fā)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(shù)據，是衡量電機使用功能的重要參考依據。為此在風能發(fā)電系統(tǒng)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(shù)槽的繞組方式是實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，每極每相分數(shù)槽繞組的公式中每極每相槽數(shù)與電機的槽數(shù)成正比，級數(shù)越小，齒槽轉矩數(shù)越小。通過降低級數(shù)與槽數(shù)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(shù)的科學選擇。極弧系數(shù)即電機的磁極寬度與極距比例系數(shù)，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(fā)電系統(tǒng)的實際運轉情況與其技術要求，對極弧系數(shù)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(fā)電系統(tǒng)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(shù)進行選取時，要對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運行要求實現(xiàn)綜合性的考慮分析，在降低齒槽脈動轉矩的基礎上實現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(yǎng)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(yǎng)護特點，主要從兩個方面確保電機的電磁穩(wěn)定性，電機運行環(huán)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(fā)電時，保證其工作環(huán)境符合標準，同時要確保設備的散熱系統(tǒng)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(huán)節(jié)，對溫度的分布情況進行測試，針對高溫區(qū)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(fā)電系統(tǒng)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(guī)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(xiàn)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(shù)值之上的永磁電機。

3 永磁電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)展

近幾年，越來越多的發(fā)電廠開始以風力能源作為發(fā)電系統(tǒng)的主要動力，風力發(fā)電機開始逐步向大型化發(fā)展。永磁發(fā)電機作為大型風力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，為順應現(xiàn)代化經濟的發(fā)展，滿足更多企業(yè)、個人的用電需求，相關單位不斷對其進行新功能開發(fā)，以期為供電產業(yè)的發(fā)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(fā)，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(fā)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(fā)非?；钴S，例如低速直驅永磁風力發(fā)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(fā)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(fā)電機采用先進冷卻技術的研究十分活躍，在開發(fā)傳統(tǒng)冷卻功能的基礎上，對電機的蒸發(fā)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(fā)電系統(tǒng)電機控制技術的發(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)展，主要是因為該種制作方式具有便于制造、運輸、現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)電機，逐漸向提高額定電壓采用中壓（3～6kV）變頻器方向發(fā)展。永磁風力發(fā)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(tǒng)，省去交流側的濾波器和直流側的電解電容，可節(jié)約成本和提高變流器效率，是功率轉換技術的發(fā)展趨向之一。

4 結語

永磁電機相較于傳統(tǒng)的電機，具有高效能、高運轉、高安全性等特點，為此現(xiàn)階段，已經被廣泛地應用于風能發(fā)電系統(tǒng)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(fā)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(yè)快速發(fā)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(fā)，為供電產業(yè)快速、綠色、健康的發(fā)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(fā)電。

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