直驱风力发电机.. 共49页
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下运行。
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。
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
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。
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
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。
• 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
•
金风62/1200风力发电机是外转子型，转子位于定子
变流器
6 E
变压器
7 F
电网
•
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
•
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）。
零部件
• 定子支架
轴 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
发电机
转速
测量
转速
传感器 转速
风机
控制器
叶片 桨距
发电机 转矩需求
源自文库
桨距执 桨距 行机构 需求
需求 转矩 转速
变流系统原理框图
1
MA
~~
永磁发电机
2
3
= B
C
=
三相整流
升降压
4
5
=D
逆变~~~
滤波器
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。
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
MW永磁直驱发电机特点
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
小带来的好处就是重量轻，易于运输。
直接驱动永磁发电机
磁钢
铁心
绕组
风
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
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
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。
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
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。
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
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。
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
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。
• 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
•
金风62/1200风力发电机是外转子型，转子位于定子
变流器
6 E
变压器
7 F
电网
•
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
•
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）。
零部件
• 定子支架
轴 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
发电机
转速
测量
转速
传感器 转速
风机
控制器
叶片 桨距
发电机 转矩需求
源自文库
桨距执 桨距 行机构 需求
需求 转矩 转速
变流系统原理框图
1
MA
~~
永磁发电机
2
3
= B
C
=
三相整流
升降压
4
5
=D
逆变~~~
滤波器
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。
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
MW永磁直驱发电机特点
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
小带来的好处就是重量轻，易于运输。
直接驱动永磁发电机
磁钢
铁心
绕组
风
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
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
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。
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