风力发电用永磁发电机的开发研究

摘要：风力发电用永磁发电机（PMG），是在转子上装有永磁体的多极低速发电机，可直接与风轮连接而运转，具有维护性能优良的特点。本PMG的开发中，选定最佳的磁体尺寸与配置，对各部的温度进行研讨，利用FEM（有限元法）分析手段对运转中的外力及由磁力引起的PMG变形进行了研究与检测。而且，通过实际的负荷试验测定了电气特性等，已确认质量可靠，设计参数完全符合要求。 叙词：风力发电 永磁体 发电机 电气特性 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           

近年因地球升温问题严重，无CO2排放的自然能源的充分利用引人注目。作为自然能源，一般为太阳能与风能。全世界都在兴建风力发电厂并不断扩大输出功率，可望在今后的系统供电中发挥作用。在此背景下，“明电”公司开发了用于风力发电的永磁发电机。2009年1号机组已制造出厂。本文阐述了PMG的结构、特点，并对开发中有关研讨、验证的事项予以介绍。

2.    风力发电用PMG的结构和特点

图1所示为开发的风力发电用PMG外观，图2为其结构断面，额定参数列于表1。

本PMG因与风轮直接连接，是与风轮转速一致的低速旋转发电机。风轮与发电机转子的负荷重量由共用的一个轴承支撑，采用了这种单轴承的结构。

定子的铁芯和线圈安装在圆筒形的机座内，机座的外表面设有冷却风扇，为外壳表面冷却结构。

转子是在圆筒形的轮辐表面装有永磁铁的单纯结构，因没有励磁线圈，故无需供转子励磁电流用的滑环和电刷，维护简单方便。

如上所述，本PMG因与风轮直接连接，不设增速机构，没有机械噪音源的增速齿轮传动，故对降噪方面也是有利的。

图1  风力发电机用PMG外观

多磁极的三相PMG，与风轮转速一致的低速发电机，能与风轮直接连接运转，故无需增速机构。
表1 风力发电用PMG的额定参数

图2  风力PMG的结构断面图

定子铁芯和线圈配置在机座内，永磁体安装于转子表面。是利用机座表面的冷却风扇进行冷却的外壳冷却结构。

3 PMG开发中的研讨与验证

3.1 磁铁的选择          

（1）不可逆退磁    

本PMG采用了钕铁硼（NdFeB）系的永磁体。永磁体的处理应避免不允许的退磁现象。对于永磁体来说，有可逆的退磁和不可逆的退磁，特别是因风力发电机是设置在塔杆上，在其运行期间，不得出现不可逆的退磁现象。作为引起不可逆退磁的重要原因是:由于磁铁暴露于高温下导致的退磁以及由外部磁场导致的退磁。前者是在负荷运转时电机内部及磁铁本身的温度上升造成的；后者则是起因于短路事故时的短路电流引起反向磁场造成的。

（2）对退磁的讨论与对策     

PMG在短路事故时，要求具有充分的耐受强度，而且起因于短路电流的反向磁场不允许产生退磁。

对于磁铁的磁化特性来说，在某一磁场强度下存在急剧弯曲的拐点，这被称之为居里点（即当温度高于此点时，顺磁体的分子磁力消失）。当反向磁场强度超过这一居里点时，磁铁则产生不可逆退磁。

图3所示PMG短路时的反磁场，是通过磁场分析求出。我们选用了高矫顽力的钕铁硼磁体，即使带负荷运转时的磁铁温度下产生短路，这种磁体具有的居里点也能克服反向磁场的退磁作用。

图3 三相突发短路时的反磁场
藉磁场分析求出瞬间短路时反向磁场的大小，是选定磁体的重要特性。
3.2 PMG的特性计算
藉助FEM（有限元法）磁场分析进行了空载感应电压、三相短路电流、电感等PMG的特性计算。负载特性由式（1）～式（4）等值电路方程式求得。 
               (1) 
            

（2）

（3）

式中： V—发电机电压；I—发电机电流；Vd、Vq—d轴、q轴电压； 
id、iq—d轴、q轴电流；Ld、Lq—d轴、q轴电感；R—电枢阻抗； —角速度  —极数；T-转矩； —电枢交链磁通； 
图4所示为空载感应电压的波形，为畸变小的正弦波，图5为三相突发短路时的电流波形。

图4 空载感应电压波形

藉FEM磁场分析求得的基本特性---空载感应电压波形，为畸变小的正弦波。

图5 三相突发短路电流波形
藉FEM磁场分析求得的基本特性---三相突然短路电流。
3.3 PMG的温度计算
（1）温度计算方法    
风力发电用PMG设置在塔杆上，冷却风扇安装于机座表面，PMG的冷却是利用外部空气进行外壳表面的冷却，以及从气道向PMG内部进行强制通风、藉转子旋转导致内部空气的搅拌而进行的冷却。
因为结构比较简单，通风温度的计算是利用由通风及热回路网的节点法算定各部分的温度。为了提高计算的精度，要使这一等值热回路网更接近实际的情况，这一点很重要。例如制造过程中设想出现：风扇与机座间、机座与定子铁芯间、线圈与铁芯之间等微小的间隙，应作为回路上的热阻抗来考虑。
图6 所示为PMG仅在轴向上的温度分布计算结果及温度实验结果。沿外壳表面冷却风的方向，PMG内部的温度变化（斜度）呈上升趋势，显示出与计算值同样的倾向。而且，关于各部分的温升值，其计算值均高于试验值，这是因为热回路的热阻抗使用了想象制造误差的阻抗值，而在实机中比想象的阻抗值小。

图6 PMG定子线圈的温度分布
PMG轴向温度分布显示计算值与实测值有相同的倾向，温度的差异是由于假定值与实际值不同所致。
（2）外表面冷却风速的影响     
已确认PMG的冷却取决于外壳表面的风速，因而影响到PMG的温度。然后进行了降低PMG功率的试验，改变冷却风速下对比了计算值与实测值。如图7所示，计算值与实测值显示出共同的倾向，随着风速的改变，无论计算值或实测值均显示了相同的倾向，这点也已经确认。

图7 风速与线圈温升的关系
（3）短路事故时的温度     
与转子上带励磁线圈的发电机不同，采用永磁体的PMG在转速限度内的感应电压不能为零，从而短路事故时在风轮停止旋转之前，短路电流一直存在。但是，本PMG为大型电机且为低速电机，因热时间常数非常大，各部的温度达到饱和的时间约10h，比较长；另一方面，从风轮停止指令开始到实际停止仅数10s，故不存在发热的问题。
3.4 齿槽效应（cogging）转柜
一般在具有永磁体的永磁电动机中，齿槽效应转矩是重要的设计因素。这一齿槽效应转矩，例如在产业用伺服电动机中会影响到定位控制的精度。电梯驱动电动机中则会影响到乘客的心情。而在风力发电机中，因低速时的齿槽转矩产生的振动和噪音，从环境角度看，对当地的居民也会产生一定的影响。
齿槽效应转矩是未通电时的转矩脉动，是定子槽的磁导率（磁阻率的倒数）与转子磁动势空间高次谐波的相互作用而产生的。在每转一周的定子槽数与极数成最小公倍数时即产生齿槽效应转矩。
作为减小齿槽效应转矩的方法：（1）藉设计磁钢的不同形状，使磁动势的波形尽量接近正弦波；（2）利用斜槽配置抵消定子槽部的空间高次谐波。这两个通用的方法是很有效的。此外，因制作过程中的微小误差对结果的影响也很大，所以必须对制造精度予以细心注意。
图8 所示为通过斜槽配置抵消齿槽效应转矩的效果。分析时考虑了制造过程中容许的最大加工误差。在实机中实测的结果，可得到与分析值相同的效果，这点已得到确认。

图8 齿槽效应转矩
3.5 绝缘系统
风力发电机通常装设在山间和沿海岸，对发电机进行维护不方便，故要求设计寿命一般在数10年之久。因此必须考虑由变频器（变换器）产生的浪涌（surge）电压和设置于沿海岸的盐害等不利因素。

这次，PMG定子线圈采用的绝缘系统是：电线为云母涂层，主绝缘采用集成的云母带，特别加强了线卷端部与连接部的防水密封性。绝缘性能的验证是在模型线卷及实机上进行了以下试验：（1）局部放电试验；（2）绝缘破坏试验；（3）污损试验；（4）耐热寿命试验；（5）热循环试验；（6）浸水试验（实机）。
通过这些试验的验证，本PMG的绝缘系统在防电晕（coronafree）和耐盐害等性能上获得了充分满意的结果。
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