离网型低速高效永磁风力发电机的研制

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离网型低速高效永磁风力发电机的研制

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摘 要:本文针对风力发电机的技术条件，介绍了低速永磁式风力发电机的设计特点，详细分析和比较了径向、切向两种转子结构的优缺点，在此基础上，设计了一台样机，最后，根据低速永磁式发电机的特点，给出了发电机的试验方法和试验数据，结果令人满意。
关键词:风力发电机 设计 试验
1引言
风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源，随着近几年人们环保意识的增强，它逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。我国地形复杂，人口又多，居住分散，对电网涉及不到的地区以及一些特殊地区，如：牧区、林区、海岛及边防哨所，仍然需要大量的离网型发电机来弥补大电网的不足。
由于风速的变化范围很大，使得风力发电机(特别是永磁式发电机)的输出电压在很大范围内波动。因此，这种离网型发电机往往不能直接与负载相连，而是通过整流器给蓄电池充电，将电能储存起来，通过蓄电池给负载供电；还可以通过一个可控的整流调节器，使发电机同时给负载和蓄电池供电［1，3］。这两种系统的基本框图如图1所示。

近年来，小型风力发电机多采用永磁式发电机，提高了发电机的效率，降低了成本，增加了可靠性。
2风力发电机技术条件
离网型风力发电机大多为单机运行，发电机输出的三相交流电压经整流稳压后，向蓄电池充电以及给负载供电。参考《YF离网型风力发电机组用发电机技术条件》和实际应用场合等情况，风力发电机在设计时应注意以下几点［1］。
(1)发电机的运行环境恶劣，要求发电机的安全可靠性高，能防雨雪、防沙尘。
(2)在发电机由风轮直接驱动的场合(省去了常用的增速齿轮箱)，要求发电机的额定转速低(多小于600r/min)。
(3)要求发电机的起始建压转速低，以最大限度地提高风能利用系数(在《技术条件》中已明确规定，在65%的额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压)。
(4)发电机的起动阻力矩尽量小，以使发电机在较低风速下能良好地起动，同样提高风能的利用程度。
当然，除此之外，风力发电机还应符合一般发电机的其它技术要求，在此不再赘述。
3低速永磁风力发电机设计特点
因为取消了增速齿轮箱，由风轮直接驱动，所以要求发电机的额定转速低。对此，我们研制了一台额定容量5kVA、额定转速仅为150r/min的钕铁硼永磁风力发电机，其结果令人满意。
3.1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。
为减少试制时的成本，发电机的定子冲片选用现成的Y系列定子冲片，以节省开模和制造费用。
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［2］及实践经验，采用分数槽绕组是降低阻转矩最有效的办法，而且在分数槽绕组中，每极槽数(非每极每相槽数)

式中Q——定子槽数
 p——发电机的极对数
 A——整数
 C/D——不可约分的分数
理论和实践证明：D越大，发电机的起动阻力矩越小，但D的大小也影响着发电机的其它电气性能，不宜过大。
综合以上分析，我们在设计5kW、150r/min的发电机时，定子结构的具体参数如表1所示。

3.2转子
离网型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2的(a)、(b)所示，图3是这两种结构对应的实际风力发电机的磁场分布图。

径向式结构的永磁体直接粘在转子磁轭上，如图3(a)。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。


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3(b)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。
3.3极对数选择
在永磁电机中，根据永磁体的体积的计算公式［4］

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。因此，在设计时我们取p=8。
4试验
因为该风力发电机的额定转速仅为150r/min，试验时采用直流电动机降低转速来直接拖动永磁风力发电机，直流电动机的额定功率按下式确定

式中PDN——直流电动机的额定功率
nDN——直流电动机的额定转速
PFN——风力发电机的额定功率
nFN——风力发电机的额定转速
η——风力发电机的设计效率
该发电机性能参数的实测及设计值如表2所示。


电机的铁耗；省去了增速齿轮箱和冷却风扇，减少了机械损耗，使得发电机的效率较高，图4为该发电机实测的效率曲线。

5结束语
该风力发电机采用钕铁硼永磁励磁，省去了电刷和集电环，减少了维护，提高了可靠性；发电机的额定转速低，由风轮直接耦合驱动，使发电机结构简化，装置重量减轻，造价降低；发电机的效率较高，起动阻力矩较小，在较低风速时易于起动，改善风力发电机的低速发电性能，提高了风能利用程度。
参考文献
1YF离网型风力发电机组用发电机技术条件.国家风力机械标准技术委员会.
2郭继高.小型风能发电及其发电机.微特电机，1999(5)～2000(3).
3孔昌平.永磁电机在小型风能变换系统中的应用和设计.微特电机，1987(1).
4唐任远等.现代永磁电机理论与设计.机械工业出版社，1997.
 
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