直驱风力发电机..

不可逆退磁问题
如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁 硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电 枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆 退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而， 既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳 定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁 能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电 机不会失磁。
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因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁 路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分 析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先 进的测试方法和制造工艺。
永磁材料的技术性能与退磁曲线的形状, 对电机的性 能、外形尺寸、运行可靠性等有很大的影响,是设计与制 造永磁电机时需要考虑的十分重要的参数。对于不同的情 况, 不同的场合, 应采用不同的结构形式和永磁材料。图 给出这几种永磁材料的退磁曲线(还受温度影响）。
转子
永磁风力发电机转子磁路结构,按工作主磁场方向的 不同,主要分为切向式和径向式两种结构:如图 所示。
切向式
径向式
径向式结构的永磁体直接粘在转子磁轭上,一对极的 两块永磁体串联,永磁体仅有一个截面提供每极磁通,所以 气隙磁密较小,发电机的体积稍大。永磁体粘结在转子表 面受到转子周向长度的限制,这在多极电机中格外明显。 倘若增大转子外径, 势必加大发电机的体积。
• 金风62/1200风力发电机是外转子型，转子位于定子 的外部。由于采用这种永磁体外转子结构，与同类电励磁 风力发电机相比，金风62/1200风力发电机组的电机的尺 寸和外径相对较小。下图显示了两种结构的对比。图中两 种结构的气隙直径是相同的，因此功率输出也是相同的。 金风62/1200风力机外转子直径仅仅比气隙直径大了 几厘米，而一般的电机结构高出气隙直径很多。电机直径 小带来的好处就是重量轻，易于运输。
主要零部件
变距系统设计方案 • 驱动装置： 采用三个相互独立的变 频调速电机传动机构。 • 后备储能单元： 采用大容量电容， 免维护，可靠性高。 • 传动方式： 同步齿型带，免维护， 成本低。
主要零部件
机舱底座
主要零部件
轮毂
永磁电机效率对比
1.2MW永磁直接驱动风机功率曲线
发 电 量 对 比
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然而,国内外许多专家认为,永磁发电机型风力发电系 统是未来风力发电技术的主要发展方向,对大型直驱式设 计来说尤其是这样。从理论上讲,系统的电能输出是按它 获得的空气体积的三次方增加的,也就是说,随着风力发电 机组单机容量不断增大,系统各结构部件的重量也会成比 例地增加,因此发展结构简单的永磁发电机具有一定的优 势。 • 特别是随着永磁材料技术、现代电力电子技术、控制 技术等的发展,永磁发电机型直驱式风力发电系统的市场 前景逐渐显现。
高压永磁发电机型风力发电系统
ABB公司于1998年研制出一种新型风力发电系统 (Powerformer)。该系统采用高压永磁发电机 (Windformer)直接与风力机相连,变桨距控制,采用高压直 流(HVDC)输电的连接方式实现系统并网,输出功率可以达 到3MW,输出电压不低于20kV。这种风力发电系统的结构 如图所示。
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发电机的转子用新型永磁材料钕铁硼和钐钴制成,且 为多极,结构与上述多极永磁发电机型风力发电系统相似。 • 主要不同之处是,该系统采用的高压永磁发电机的定子 是用一种圆形交联聚乙烯电缆(XLPE)绕制的电缆电枢绕 组,电缆具有坚固的固体绝缘,工作电场强度可高达 15kV/mm(有效值)。 • 该系统中每台电机发出高压电,输出端可以经过整流 装置直接接到直流母线上,再经过逆变器转换为交流电输 送到当地电网;若要输送到远方电网,则通过升压变压器接 入高压输电线路。
控制问题
永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也 造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机 的应用范围受到了限制。 但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制 技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进 行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和 微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况 下运行。
1.2MW直接驱动风机主要技术指标
类 型：三叶片、上风向、变速变桨功率调节、永磁直接驱动。 额定功率： 1200kW 叶轮直径： 62m 传动类型： 直接驱动 发电机类型： 永磁同步发电机 控制系统： 计算机控制，远程监控 偏航系统： 主动对风 切入风速： 3-4m/s 额定风速： 12m/s 切出风速： 25m/s 安全风速： 70m/s（3秒平均值） 最大风能利用系数： Cpmax≥0.44 噪声：LWA≤100dB(A)(距地面10米，8m/s风速标准状况下) 年均可利用率： ≥95% 设计使用寿命： ≥20年
切向式结构是把永磁体镶嵌在转子铁心中间固定在隔 磁套上,隔磁套由非磁性材料制成(如铜、不锈钢、工程材 料等) ,用来隔断永磁体与转子的漏磁通路,减少漏磁。从 图 可以看出,该结构使永磁体起并联作用,即永磁体有两个 截面对气隙提供每极磁通,使发电机的气隙磁密较高,在多 极情况下效果更好,而且该结构对永磁体宽度的限制不是 很大,极数较多时,可摆放足够多的永磁体。所设计的发电 机转速较低,需较多的极数以减少体积和满足频率要求,所 以选用切向式结构。（目前公司径向）
• Powerformer的优点：不需要齿轮箱,电机转子上也没有 励磁装置和滑环,结构简单,减少了系统损耗,可靠性更高。 • 另外,传统的发电侧输出电压一般维持在20kV以下,要 实现发电侧与输电网的顺利对接,需借助升压变压器。而 Power former整合了发电机和升压变压器,使机组元件大 大减少,系统的有功损耗和无功损耗都大大降低。其发电 机侧输出的电压在20kV以上,直接通过HVDC输电方式把 电输送到负荷端,分散式的不可控整流提高了机组效率和 运行可靠性。
6 E
变压器
7 F
电网
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多极永磁发电机型风力发电系统结构如图所示。风力 机与发电机直接相连,风力机采用变桨距功率控制方式实 现最有效运行。 • 永磁发电机的定子与普通交流电机相同,转子为永磁 式结构,无需励磁绕组,因此不存在励磁绕组损耗,提高了效 率。转子上没有滑环,运行更安全可靠。但是它的不足之 处是,它因使用磁性材料如钕铁硼和钐钴等而成本很高,而 且电机的电压调节性能差。 • 此外,这种系统的变速恒频控制也在定子电路实现,电 力电子变换器的容量要求与发电机额定容量相同,增加了 系统损耗。
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直接驱动永磁发电机
磁钢 铁心 绕组
无需励磁能量 长寿命的低速发电机 高效 抗环境侵蚀和腐蚀保护
风
外转子发电机,利于磁钢散热 自然空气冷却,大的外表面， 利于散热不必使用强迫风冷
冷却风道
定子
转子
直接驱动风力发电机组 — 结构形式及工作原理
径向永磁电机结构
轴向永磁电机结构
零
部
件
• 定子支架
轴
低速永磁风力发电机设计特点
定子: 永磁发电机的定子结构与一般电机类似,但因为该类发电 机的电负荷较大,使得发电机的铜耗较大,因此应在保证齿、轭 磁通密度及机械强度的前提下,尽量加大槽面积,增加绕组线径, 减小铜耗,提高效率。
定子绕组的分布影响风力发电机的起动阻力矩的大小。 起动阻力矩是永磁式风力发电机设计中的一个至关重要的 参数。 起动阻力矩小,发电机在低速风时便能发电,风能利用 程度高;反之,风能利用程度低。 起动阻力矩是由于永磁电机中齿槽效应的影响,使得 发电机在起动时引起的磁阻力矩。 从电机理论上讲,降低齿槽效应所引起的阻力矩的方 法,主要是采用定子斜槽、转子斜极以及定子分数槽绕组。 根据文献及实践经验,采用分数槽绕组是降低阻转矩最有 效的办法。（公司采用斜极）
1.2MW直接驱动型风力发电机组
1.2MW直接驱动型 风力发电机组
直接驱动风力发电机组基本结构
永磁同步发电机
型式：96极永磁同步发电机 定子：三相绕组 转子：永磁，位于绕组外圈 额定功率：1200KW 额定电压：700V 转速范围：11～20rpm 绝缘等级：F 防护等级：IP54 发电机外径：4500mm 定子长度：740-800mm 绕组：采用Rofil线 浸漆方式：普通浸漆
直接永磁技术的优势

结构简单紧凑，可靠性高； 机械传动损耗减少； 电机效率高，运行范围宽； 无需励磁，无碳刷滑环，维护量少； 对恶劣环境的适应性很强； 发电品质高，无需进行无功补偿；
永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁 场是由永磁体产生的。 永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永 磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体 的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能 数据的离散性很大。 而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随 磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。 此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分 复杂，而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容 易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁 计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。
• 缺点：这种系统采用的高压发电机的转子需要大量永磁材 料,且对材料性能的稳定性要求较高,同时发电机对整个系 统的其他方面要求也较高,这些都使机组成本增加。 • 目前,Powerformer还属于试验阶段,整个系统长期运 行的性能如何还有待进一步深入研究。
横向磁通发电机型风力发电系统
• 目前大量使用的风力机都是水平轴型,它把发电机装 在塔架顶端的机舱内,对发电机的体积和重量也有一定要 求。 • 传统永磁电机虽然质量相对轻些,但存在定子齿槽在 同一截面、几何尺寸相互制约的缺陷。 • 另外,应用于风力发电系统的发电机要求具有较高的 转矩密度,因而近年来把横向磁通发电机应用于风力发电 系统开始引起人们关注。
成本问题
由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁 发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在 电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中 会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较， 并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。 无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用 的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完 美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔 福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公斤 瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发 电机的市场前景不会被成本问题困扰。
加 工 完 的 定 子 支 架
多极永磁发电机发电系统
变速恒频闭环控制模型
风 风 机
发电机 转速
转速 传Βιβλιοθήκη Baidu器
测量 转速 控制器
叶片 桨距 发电机 转矩需求
桨距执 行机构
桨距 需求
需求 转矩 转速
变流系统原理框图
1
2 A
三相整流
M
B
永磁发电机
~ ~
= =
升降压
3
C
变流器
= ~ ~ ~
逆变
4
5 D
滤波器
极对数选择
在永磁电机中,根据永磁体的体积的计算公式
可以看出,增大频率可以减少需要的永磁体体积,又从f = pn/60 知道,在转速n 一定时,频率f 和极对数p 成正比。因 此,在设计发电机时应尽量增加p ,同时,根据技术条件要求, 风力发电机的频率应不低于20Hz ,这也要求低速风力发电 机具有较多的极数,但是,极数过多也会受电机尺寸及加工 工艺的限制,尤其是切向式结构的转子。
MW永磁直驱发电机特点
• • • • 采用永磁体励磁 多极、低速、大容量 外转子内定子结构 与传统的电励磁电机相比，永磁电机结构简单，运行可靠； 体积小、重量轻；损耗少、效率高；提高了功率质量比； 电机形状和尺寸可以灵活选择等优点 • 无需直流电 • 无需无功励磁电流源 • 无需集电环、电刷装置
外转子内定子结构
横向磁通发电机的定子齿槽和电枢线圈在空间上互相 垂直,磁路方向沿转子轴向方向,定子尺寸和线圈尺寸相互 独立,它实现了电路与磁路的解耦,即可以同时实现高电负 荷和高磁负荷。而且,横向磁通发电机的磁路是三维的,根 据转子永磁体磁极的放置方法可分为多种类型。 • 简言之,横向磁通发电机属于同步电机的范畴,它的运 行机制又有永磁电机的特点,如果把它设计成多极对数的 电机,就可以应用于直驱式风力发电系统。 • 但在现阶段,对横向磁通发电机的研究还不够充分。 现有的拓扑结构中,工艺比较复杂,控制比较困难,成本较高, 功率因数也不是很高。 • 因此,横向磁通发电机型直驱式风力发电系统的设计 和应用还有待进一步研究。