小型风能发电装置永磁发电机关键技术分析

1 引言

　　过往，小型风能发电领域曾广泛采用直流发电机制造、电磁交流发电机制造、爪极式发电机制造、磁阻式发电机制造以及感应子式发电机制造。然而，随着永磁材料技术的飞速进步，永磁发电机的磁能积显著提升，目前已成为主流选择。这类电机在电气性能和安全性方面均优于以往机型。鉴于其应用环境与常规发电机存在差异，技术要求更为独特，且需与风力机实现高效匹配，故本文将针对永磁发电机制造中的关键问题进行深入剖析。

　　2 技术规范

　　图1展示了小型风能发电装置的原理图。风力驱动风轮旋转，将风能转化为机械能，进而推动发电机旋转，实现机械能向电能的转换，并经整流后输出。此类发电机的设计需考虑以下要素：发电机型号、整流线路的选择，以及整流功率、额定功率、电压、转速等参数的计算。其关键技术要求包括：

　　（1）额定输出功率PN（W）；（2）额定输出电压（直流）UN（V）；（3）额定转速NN（r/min）；（4）发电机效率η；（5）起动阻转矩TN（N·m）；（6）在65%额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压；（7）在150%额定转速下，发电机在额定电压下应能过载运行2分钟；（8）发电机在空载情况下，应能承受2倍额定转速，历时2分钟，转子结构应不发生损坏及有害变形；（9）发电机应具备防雨雪、防沙及防雷功能。

　　除上述要求外，还应满足一般电机的绝缘、耐压、机械强度等技术规范。安徽皖南电机其中，（5）、（6）、（7）、（8）项为风力发电机的特殊要求，下文将分别进行解析。

　　3 电磁负荷的选择

　　电机制造实践及长期运行经验为电机设计提供了线负荷As和磁负荷Bδ的范围。当As与Bδ的乘积相同时，As与Bδ的比值决定了发电机的参数、力能指标和质量。Bδ较大而As较小时，电机为富铁型；反之，As较大而Bδ较小时，电机为富铜型。

　　电机电负荷的大小以电机绕组的电流密度j（A/mm2）及线负荷As（A/cm）来衡量。电负荷越大，铜损越大。对于小功率风力发电机，通常采用低压大电流设计。尤其是1kW以下发电机，多采用24V、36V或48V（整流后的直流）电压，额定电流较大。皖南电机价格表对于1至10kW的小功率发电机，额定输出电压也不宜过高。因为这类发电机主要采用蓄电池储能，电压过高将导致蓄电池数量增加，从而提高整机成本，难以被客户接受。因此，小功率风力发电机线负荷较高，属于富铜型发电机，铜损约占电机总损耗的70%左右，这是客观存在的。此外，发电机的输出功率随风速增加而增加，如图2所示。发电机功率提高，发热增加，但随着风速增加，散热条件得到显著改善。因此，对于这类发电机，不应恪守一般电机选取As的标准，可选取较高的As值，这是必需且可行的。例如，一般小功率电机As为60至80A/cm；而该类发电机的As可取为100至150A/cm；采用高效喷油冷却的航空发电机As可达300A/cm左右。因此，As的选择需综合考虑电机损耗、效率、散热和应用场合，以获得合理数值。

　　磁负荷Bδ的选择可完全依照电机理论的一般原则，此处不再赘述。

　　4 定子

　　4.1 定子齿槽

　　鉴于该类发电机的电负荷较高，铜损较大，在设计发电机时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。这一点并非所有厂家都考虑到。由于定子绕组导线较细，在发电机初始运行时可以达到设计要求。但发电机运行2至3小时后，温升急剧上升，输出功率也迅速下降，导致额定输出功率无法达到要求。

　　4.2 定子绕组

　　小功率风力发电机的技术要求（5）中引入了发电机起动阻转矩的概念，这是由于小型风能发电装置的转速通常在几十至几百转。为了减少环节、降低成本和提高可靠性，该装置的风轮直接耦合在发电机轴上。这就要求尽量减小由发电机齿槽效应产生的阻转矩，使风轮在风速较低时（2至3m/s）能够迅速起动，尽快发电。安徽皖南电机为此，国标GB10760.1－89提出了具体要求，如下表所示。

　　功率（W）501002003005001000*大起动阻转矩（Nm）0.200.300.350.501.201.50

　　从电机的理论上讲，采用定子斜槽、转子斜极及定子分数槽绕组都可以降低齿槽效应引起的阻转矩，满足技术要求。但实践证明，分数槽绕组是降低阻转矩的*有效方法。

　　采用定子斜槽工艺上较易实现，但效果不明显，且斜槽距离过大时，发电机的电气性能会受到影响；采用转子斜极，将转子磁钢、磁极扭到合理的尺寸，工艺上难度较大，效果也不明显；因此，大多采用分数槽绕组。

　　分数槽绕组：

　　每极每相槽数q=Zs/2mp=ac/d

　　每极槽数Q=Zs/2p=AC/D

　　式中：Zs为定子槽数；m为绕组相数；p为发电机极对数；A、a为整数；c/d、C/D为不可约分的分数。

　　理论和实践证明，D越大，发电机的起动阻转矩越小。此外，随着q值的增加，负序阻抗减小，漏抗降低，这是我们希望的。但过份增大q值，发电机抑制高次谐波的能力降低，这是需要避免的。因此，只要满足国标规定的阻转矩大小要求，并非q值越大越好。

　　我们计算和实际测试了几种发电机的转矩，从中可以判定齿极配合的情况，如图3所示。

　　5 转子

　　小型风能发电装置的风轮转速每分钟为几十至几百转，其发电机转子直接耦合在风轮上。风轮转速决定了发电机为多极低速发电机；转子一般采用铁氧体和钕铁硼磁钢，切向结构；转子结构必须牢固，能经受风速急骤变化的冲击，而不发生破坏、损伤和变形。这正如技术要求（7）、（8）中明确指出的。转子问题将另文讨论。

　　6 特性

　　6.1 直流输出电压

　　该发电机输出交流电压经整流后向蓄电池充电。国标规定，其整流后的电压应比标准12V蓄电池高2V，即发电机输出电压为14V、28V、42V、56V……。但实践证明，该规定对于风力资源非常丰富的地区是可行的，而对于风力资源一般但可利用的地区则偏低。有人曾在江苏内湖围网养殖地区，用输出42V（直流）的发电机接在两只串联蓄电池上（24V）效果很好，并没有出现严重问题。因此，设计发电机时，应了解风力机使用地区的风源情况，一般应高于4V以上，以便充分利用宝贵的风力资源。

　　6.2 输出特性

　　输出功率P与转速n的关系是一般发电机不要求的，但对于这类发电机则是重要的。图2为DYF－600型发电机的实测特性。由于特定的要求，风力机对发电机要求在低风速时能够发电，而在额定风速以上输出特性尽量软一些。因此，设计发电机时应尽量使磁路饱和，以避免因风力机经常超速而导致发电机输出功率急剧上升，造成对充电器、逆变器的过大冲击和发电机的过热，从而损坏设备。

　　6.3 风力机特性与发电机输出特性的匹配

　　（1）风力机起动后，要求发电机尽快发电，即在低风速范围内能捕获风能。这正如技术要求（6）所要求的，发电机的起动阻转矩应尽量小，使风力机尽早切入运转。

　　（2）希望发电机P=f（n）在额定点前为二次抛物线关系，以实现发电机与风力机的*佳匹配，获取*佳风能。