永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋势

2018-12-18王园

中国设备工程 2018年23期

王园

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

风能作为一种清洁能源，受到人们的高度重视，目前风力发电在各个领域中的应用范围越来越广。风力发电具有显著的特点：一是风能密度相对较低，要想获得功率较大的风能，需要工作人员借助直径相对较大的风力机进行操作。二是风速相对不稳定，这就需要工作人员通过变速恒频技术进行操作，确保电压的稳定，因此，工作人员要加强对永磁电机的重视，对其进行广泛应用，从而使风力发电系统更加完善。

1 不同结构风电系统的特点与性能对比

1.1 不同结构风力发电机的特点

从发电机内部结构来看，当风电系统不同时，设计特点也有所差异。下面从几种结构进行分析：其一，DFIG系统。该系统容易受到电网频率的影响，由于电机的运行范围相对有限，当工作人员确定额定转速后，需要对极数进行确定，这样才能确保系统正常运行。与永磁电机相比，该系统需要的功率不大，花费的成本相对较低，能够节省大量资金。如果额定转速要比同步转速更高，在一定条件下，对于转子铜的消耗较大，所以，在对该电机进行设计时，工作人员要对转子散热问题进行有效考虑，确保电机的稳定性。其二，HSPM系统。在高速风力发电系统中，使用永磁电机具有显著优势，一是能够减少对集电环的使用，这样不仅能够确保电机运行更为可靠，还能降低成本投入；二是能够减轻电机的重量，一方面能够使电机密度大大增加，另一方面能够使电机的运行更高效。如果工作人员运用全功率变流器，发电机将不会受到电机转速的影响，这样不仅能够使电机具有较高的灵活性，还能便于工作人员对于电机的操作。由于永磁体的承受力相对较低，需要工作人员通过埋入式结构进行操作，这样才能确保永磁体正常工作。其三，MSPM系统。中速永磁风力发电机的设计较为灵活，但工作人员很难对运行速度范围进行有效选取，这就需要工作人员对风力机进行有效考虑，确保参数与实际情况相一致，这样不仅能够确保运行更为可靠，还能使传动速比达到规定标准。其四，DDPM系统。在对DDPM系统进行设计时，工作人员要考虑几个问题。一是选取电机结构。由于永磁电机有众多结构，需要工作人员根据实际情况进行科学选择，这样才能确保磁通结构与系统情况相一致。二是选取电机极数。由于永磁电机极数具有较大的灵活性，工作人员可以通过增加极数对截面积进行减少，这样不仅能够使齿槽脉动转矩大大减少，还能使其达到预期效果。

图1

1.2 不同结构风力发电机的性能对比

其一，运行效率。以变速恒频电机为例进行分析，当风速不断增加时，额定风速逐渐趋于稳定状态，如果风速要远远小于额定风速时，发电机很难正常发电。其二，年发电量。当风速条件相同时，永磁电机具有显著优势，不仅能够有效节约电量，还能使系统较为稳定。通过分析可知，4种结构年发电量的情况。其三，低电压穿越。以并网型电机为例，其有着良好的稳定性，并且低电压穿越能力相对较强，因此，在对系统结构进行分析时，工作人员要对低电压传统能力进行充分考虑，这样才能全面研究系统结构的优势。其四，制造成本。风力发电系统容易受到材料以及市场物价的影响，给工作人员带来较大困难，无法对其进行准确判断，这就需要工作人员对市场进行调研，了解材料的实际情况，这样不仅能减少制造成本，还能提高经济效益。

表1

2 永磁风力发电机的关键设计技术

2.1 永磁电机结构型式的选取

根据磁通情况可以对电机走向进行有效分析，一般情况下把永磁电机分为几种类型：其一，径向磁通永磁电机。该电机能够使永磁体中产生一定磁通，工作人员能够对结构形式进行有效划分，根据电机情况分为插入式或者埋入式。该种电机的优点为结构相对简单，制造较为便捷，工作人员能够独立选取轴向长度，这样不仅能够满足转速的相关要求，还能使其达到规定范围。其二，轴向磁通永磁电机。该种电机的优点是绕组相对简单，噪声相对较小，不会给人们带来较大的影响，但也存在一定缺陷，一些有槽铁心的加工较为困难，工作人员很难进行操作，这就需要工作人员对各方面的内容进行考虑，采取措施使其达到规定要求，因此，此种系统没有得到全面推广。其三，横向磁通永磁电机。该种电机具有良好的密度，铜耗相对较低，并且工作人员在绕组时较为简单，但此种结构在制造时较为繁琐，需要花费大量的人力资源，因此，工作人员要全面分析利弊，发挥出其在风力发电系统中的作用。

2.2 减小齿槽脉动转矩的方法

其一，合理选取极弧系数。极弧系数会受到永磁体宽度的影响，这就需要工作人员对极弧系数进行全面考虑，确保系数选取的合理性，这样不仅能够避免给齿槽转矩带来较大影响，还会降低电机成本。所以，工作人员在选择极弧系数时，要对多个方面的内容进行考虑，这样才能确保设计更加合理。其二，斜槽。在对电机进行设计时，工作人员要加强对斜定子槽的重视，使用较为有效的方法，这样不仅能够降低制造工艺方面存在的困难，还能对齿槽转矩进行有效消除。其三，采用不对称极宽。对于磁极分组而言，工作人员大多运用不等宽磁极，这样不仅能够构成较为对称的单元，还能提高使用效果。

2.3 永磁体的防失磁措施

永磁体的稳定性对于发电机有着重要影响，不仅能够确保其正常运行，还能避免出现失磁现象。失磁主要由两个原因所造成：一是温度过高，温度大于永磁材料所规定的温度，导致失磁现象的发生；二是去磁磁场较大，远远大于永磁体的规定范围。对此，工作人员要采取防失磁措施。首先，选用耐高温永磁材料，由于永磁电机长时间工作，使得转子温度相对较高，这就需要工作人员选择合适的永磁材料，确保永磁材料具有耐高温性，这样才能提高永磁电机的应用价值。其次，减小永磁体损耗，要想降低对永磁体的损耗，工作人员需要对永磁体表面进行增加导电，这样不仅能够对谐波磁场进行阻止，还能使其形成闭合回路，降低对永磁体的损耗。最后，对最大去磁情况进行有效考虑，在高温条件下，会使得永磁体的长度发生改变，这就需要工作人员运用场路耦合方法，这样才能对局部失磁现象进行全面反映，从而便于工作人员解决。

3 永磁风力发电机的发展趋势

3.1 电机结构型式

其一，超大直径超薄永磁电机。工作人员可以通过提高圆周速度，对电机体积进行减小，这样不仅能够使定子刚度得到保障，还能确保气隙不发生变化，此种类型电机与自行车轮中的辐条大致相同，工作人员通过转子滑道就能达到预期目的，避免浪费不必要的时间。其二，无铁心定子永磁电机。定子铁心对于电机有着重要作用，工作人员运用无铁心定子有着显著的优势，一方面能够使电机的重量大大降低，另一方面能够减少噪声。但此类型电机的气隙相对较大，需要较多永磁体，使得成本花费较多，因此在应用时，工作人员要对这一因素进行考虑，尽量选择经济性较高、操作相对简单的永磁体结构，这样才能提高永磁电机的使用性能。

3.2 电机冷却技术

由于高速永磁风力发电机的热负荷相对较大，并且散热面积相对狭窄，需要工作人员运用水冷方式，这就需要相关人员加强对电机冷却技术的应用，把其贯穿在风力发电系统中，提高其应用价值。首先，蒸发冷技术。蒸发冷是全新的冷却方式，目前在发电机中得到了应用，此种技术能够给电机效率带来较大影响，这样会降低铜耗，避免影响电机的正常工作。其次，高温超导技术。此种技术是高温超导材料发展的必然结果，由于此种材料在市场中的应用范围相对较广，具有较强的市场竞争力，发展前景相对广阔。