永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展

廖炜僖

（大唐新能源广西公司，广西 桂林 541004）

永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展

廖炜僖

（大唐新能源广西公司，广西 桂林 541004）

风力资源的有效开发利用，为人们的生产生活提供了更加环保、便利的动力基础。风能发电作为现阶段供电企业提供电力的重要生产方式，对社会经济的整体发展有着十分重要的影响。电机是风力发电的基础环节，对风力系统的有效运转提供了有力的保障。文章根据永磁电机的类型与特点，对其在风能发电系统中的应用与发展趋势进行了探究。

磁通方向；齿槽脉动转矩；防失磁措施；永磁电机；风力发电系统；风力资源

1 永磁电机的应用类型

永磁电机根据其磁通方向为分类标准，主要可以划分为径向磁通、轴向磁通与横向磁通三种不同磁通走向的类型。在风力发电系统中，根据其使用功能的不同，三种永磁电机的适用形式也有所不同。

1.1 径向磁通永磁电机

径向电机的磁通走向顾名思义，磁通在电机中的运转模式主要是直线流通，由于转子的内外不同，电机的结构也存在较大的差异。径向永磁电机通过面贴、埋入等方式在转子上进行永磁体的安装。该种永磁电机的特点是，造价成本相对较低，制造工艺并不复杂，生产模式简单，并且由于径向磁通永磁电机的规格多样，可以满足不同风能发电系统的技术要求，因此适用范围较广，是当前阶段风力发电应用永磁电机的首选。

1.2 轴向磁通永磁电机

轴向电机产生围绕机组流转的磁通，由于电机的组织结构不同，分为有槽式轴向磁通永磁电机与无槽式轴向磁通永磁电机、双转子轴向磁通永磁电机等电机构造。轴向电机因其电磁走向呈环状，因此绕组方便，尤其是无槽式电机的转动时产生的振动幅度与噪音较小，方便使用。与此同时，无槽式轴向磁通电机由于规模较大，需要的部件较多；无槽式轴向磁通电机的部分设备部件的加工工艺较为复杂，操作需要的专业水平较高，不利于其在规模较大的风电系统中应用。

1.3 横向磁通永磁电机

作为永磁电机的三种主要结构类型之一，横向电机的磁通与转子的运行方向呈90°夹角，可以有效增加绕组的空间，并且不对磁通运转空间造成影响。按照其拓扑构造的不同，可以分为爪极式、单双边式、C形铁心等形式。由于构造结构与加工工艺过于复杂，漏磁现象严重，力量密度变卦不稳定等，所以只适用于气隙小的风力发电系统。与此相对应的，该种电机的绕组较为简单、力量密度也相对较高，因此也是当前阶段较为常见的永磁电机之一。

2 永磁电机在风力发电系统应用过程中应该注意的问题

2.1 在风力发电的过程中减小齿槽脉动转矩

电机的脉动主要是指在永磁电机要扭转的过程中，由于转子永磁体与贴心的行对运动而导致的电机设备出现振动的情况。电机的齿槽脉动会发出噪音，并在一定程度上增加电机运转的阻力，提高能源损耗率。对电机进行齿槽脉动转矩的测试获得的数据，是衡量电机使用功能的重要参考依据。为此在风能发电系统中运用永磁电机时，应运用合理的手段降低电机的齿槽脉动转矩，提高永磁电机的使用性能。

首先，采取合理的分数槽的绕组方式是实现齿槽转矩脉动保持在标准范围内的重要方式之一。根据调查发现，每极每相分数槽绕组的公式中每极每相槽数与电机的槽数成正比，级数越小，齿槽转矩数越小。通过降低级数与槽数可以有效控制齿槽转矩的脉动，将噪音与振动控制在合理的范围内。

其次，对极弧系数的科学选择。极弧系数即电机的磁极宽度与极距比例系数，对永磁体与铁心相对运动的距离与位置有着重要的影响。根据风力发电系统的实际运转情况与其技术要求，对极弧系数进行合理的选取，不仅能够有效降低齿槽转矩的脉动，还可以通过对磁通大小的控制，对电机能源的损耗程度与成本进行管控。因此，为保证风力发电系统的运行效率，提升能源的使用效率，降低无效成本的投入，对电机的极弧系数进行选取时，要对系统各环节的运行要求实现综合性的考虑分析，在降低齿槽脉动转矩的基础上实现对能源的合理配置。

最后，通过对斜定子槽或磁极的控制，降低脉动。这种对齿槽转矩脉动的消除方式在过去较为常见，但由于其加工工艺过于复杂，增加了电机的使用成本，因此已经逐渐被其他模式取代。

2.2 永磁体的防失磁措施

永磁电机在风力发电系统中的主要运转方式是通过转子永磁体、铁心运动等方式来为风力发电提供动力的，为此保证电机的磁性能不受影响是确保风力发电系统正常运转的基础。对电机电磁性能的防护，不仅包括对设备防氧化、防腐蚀等机械设备的养护，同时还应采取科学的方法，防止电机磁性能的减退。永磁电机的制造与加工通常采用特殊材料：钕铁硼。针对这种材料的使用与养护特点，主要从两个方面确保电机的电磁稳定性，电机运行环境与设备自身的温度要保持在标准范围之内；电机运行产生的磁场不能超过临界值。针对永磁电机的使用特点，其主要的预防措施包括以下三点：

首先，针对永磁电机的运转特点，为确保转子的温度不超过临界值，应在机体部分使用耐高温的制作材料，一般要求材料可以承受150℃以上的温度，并且不会影响电机的使用。

其次，在永磁电机进行风能发电时，保证其工作环境符合标准，同时要确保设备的散热系统运行正常，能够及时降低设备运转温度。在电机工作的实践环节，对温度的分布情况进行测试，针对高温区域进行散热，保证其温度不超过标准值，降低对材料的磨损，保障风能发电系统的正常运转。

最后，应考虑永磁电机的实际运转情况，对电机的规模、型号进行合理的选择。永磁电机的失磁情况并不是整体磁性能的退化，而是从局部工作点开始，因此在永磁电机的选择上要实现对其矫顽力进行有效的测试，选择在最大去磁条件下，工作点在退磁数值之上的永磁电机。

3 永磁电机在风力发电系统中的发展

近几年，越来越多的发电厂开始以风力能源作为发电系统的主要动力，风力发电机开始逐步向大型化发展。永磁发电机作为大型风力发电系统的重要组成部分，为顺应现代化经济的发展，满足更多企业、个人的用电需求，相关单位不断对其进行新功能开发，以期为供电产业的发展提供更加有力的保障。

3.1 电机结构型式

在电机的结构方面，可以通过增加设备直径，提高其运动速度来提升电机运行效率，降低机器的重量与面积。如从增大直径与减少电机体积两方面出发，研制的超薄型径向磁通电机——NewGen。这种直径长与体积小的永磁电机，由于其携带方便、使用简单的特点，已经成为当前阶段永磁电机研究的重点发展方向。与此同时，由于铁心的重量在永磁电机的总重量所占比重较高，因此进行电机设计时，可以考虑去掉铁心，设计无铁心定子永磁电机，在减轻电机中力量的同时，对降低齿槽脉动噪音与震动的幅度，减少能源损耗也有着十分重要的作用。

3.2 电机冷却技术

近年来，电机冷却技术研发非常活跃，例如低速直驱永磁风力发电机，由于体积和散热面积较大，一般采取自然和强迫风冷。大功率的中速和高速永磁风力发电机，由于热负荷较大及散热面积有限，多采用水冷方式。改进散热条件和增加散热能力，有利于提高电机的电磁负荷从而减小电机的体积和重量。近来对于风力发电机采用先进冷却技术的研究十分活跃，在开发传统冷却功能的基础上，对电机的蒸发冷技术与高温超导技术进行了深度技术挖掘。

3.3 电机控制技术

永磁电力风机发电系统电机控制技术的发展方向，主要集中在提高机组效率、电能质量以及运行可靠性方面，从发电机控制、功率变换控制方面来看，采用多绕组、多相结构，既能够提高系统运行可靠性，又能够保证电机的出力。

3.4 电机制造工艺

电机制造采用模块化方向发展，主要是因为该种制作方式具有便于制造、运输、现场安装以及检修等。

3.5 功率变换技术

受变流器制造成本的制约，目前3MW以下的永磁风力发电机多采用额定电压为690V的变流器。随着功率的增大，采用低压变流器会使发电机的额定电流过大，绕组出线过粗，不仅产生较大的线路损耗，而且造成机组安装和维护的诸多不便。3MW以上的风力发电机，逐渐向提高额定电压采用中压（3～6kV）变频器方向发展。永磁风力发电机采用的全功率低压变流器，多采用两电平的背靠背双PWM变流器拓扑结构，而中压变流器采用多电平结构，采用AC-DC-AC功率变换方式。采用矩阵变流器的AC-AC直接功率变换系统，省去交流侧的滤波器和直流侧的电解电容，可节约成本和提高变流器效率，是功率转换技术的发展趋向之一。

4 结语

永磁电机相较于传统的电机，具有高效能、高运转、高安全性等特点，为此现阶段，已经被广泛地应用于风能发电系统中来。然而，由于永磁电机的生产、加工过程中需要大量的稀土材料，其生产成本较高，无法在风能发电领域得到大范围的普及。在此基础之上对永磁电机进行合理的应用，维护其使用质量，延长电机的使用寿命，是电力产业快速发展的重中之重。相关技术领域应针对永磁电机的运行特点，加强对电机结构、冷却、增速、功率变换等方面的功能研发，为供电产业快速、绿色、健康的发展提供技术层面的支持。

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（责任编辑：王 波）

TM273

1009-2374（2017）12-0134-02

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

廖炜僖（1968-），男，湖南新化人，大唐新能源广西公司工程师，研究方向：电力工程技术（偏管理）、风力发电。

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