三相永磁同步电机—直驱永磁风力发电机

    随着世界各国对可再生能源开发和利用的重视，风力发电越来越被人们所关注。在大型风力发电系统中，通常采用双馈发电机。风力机的转速很低，而双馈发电机受结构的限制无法采用很多极数，即无法实现很低的转速。为实现风力机和发电机之间的转速匹配，增加了增速机构。增速机构增加了振动和噪声，且需要定期维护，是风力发电机的一个薄弱环节。取消增速机构、实现直接驱动是风力发电的趋势之一，永磁风力发电机由于易于实现多极而成为直驱风力发电机的首选。

一、直驱式永磁同步风力发电系统的总体结构

图9一n是以永磁同步发电机和全功率变换器为核心的直驱式风力发电系统的结构。风力机直接驱动永磁同步发电机旋转而产生三相对称交流电压，经过机侧变流器将其变为直流电压，再经网侧变流器将直流电压逆变为恒频恒压的三相对称交流电压，经变压器升压后输送到电网。中间直流环节的存在，使发电机与电力系统没有无功功率的交换，可根据风能变化，通过变速恒频控制来优化系统的输出功率。网侧变流器可以调节功率因数和输出电压。

根据结构的不同，直驱式永磁同步发电机有内转子和外转子两种结构。内转子是一种应用广泛的结构形式，风力机和永磁体内转子同轴安装，定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小。在外转子结构中，风力机与发电机的永磁外转子直接连接，定子电枢安装在静止轴上，永磁体易于安装固定，转动惯量大，易于平抑风力机的转速波动，缺点是不利于电枢铁心和绕组的通风冷却，转子直径大，不易密封防护等。

二、结构特点

由电机设计理论可知，在功率一定的情况下，电机的体积与转速成反比，转速越低，体积越大。与带齿轮增速机构的发电机相比，直驱永磁风力发电机转速低，体积大，成本高。为适应这一特点和解决这一特点带来的问题，直驱式永磁同步风力发电机的设计具有以下特点：

( 1）采用高性能永磁材料。

要减小电机体积、获得高功率密度，必须有足够高的气隙磁密，因而所采用的永磁材料应具有足够的剩磁密度和矫顽力；由于直驱式永磁同步风力发电机在野外使用，环境条件恶劣，永磁材料应具有较好的磁性能稳定性；直驱式永磁同步风力发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度高的永磁材料，确保不会发生不可逆去磁；考虑到电机制造的经济性，永磁材料价格要适宜。综合考虑以上因素，耐温等级高的钦铁硼永磁是最合适的。

( 2）采用表面式多极结构。

直驱式永磁同步风力发电机的转速较低，一般为每分钟几十转甚至十几转，为保证一定的频率，发电机的极数较多，如一台转速为22r / min的直驱式永磁同步风力发电机，要达到22Hz的频率，电机的极对数应为60 。为适应多极数，定、转子尺寸大，电机呈扁平状。内置式结构虽然可以产生较高的气隙磁密，但难以实现极数如此多的转子结构。表面式结构易于实现多极，在实际中应用广泛。

( 3）采用分数槽绕组。

在有限的定子铁心尺寸和满足工艺要求的前提下，如何用较少的槽数获得较多的极数是定子铁心和绕组设计中需要考虑的问题。由于受外形尺寸和工艺的限制，定子槽数不能太多，而电机极数很多。若电机的每极每相槽数q取较小的整数，虽然可以减少槽数，但不能利用绕组分布削弱非正弦分布磁场所产生的感应电动势中的谐波，且每极每相槽数较小时齿谐波电动势的次数较低而数值较大，这使感应电动势中含有大量的谐波。为解决上述矛盾，直驱式永磁同步风力发电机的每极每相槽数通常为分数，可写为如下形式

( 4）采用外转子结构。

与内转子结构相比，外转子结构具有诸多优点，如：叶片能方便地装设在转子毅表面；转子周长变大，可允许更多极数；离心力作用使永磁体与转子铁心接触更紧密，转子的机械可靠性高；转动惯量大，有助于平抑风力起伏引起的转速波动。因此有的直驱式永磁同步风力发电机采用外转子结构。

( 5）采取措施降低起动阻转矩。

起动阻转矩是直驱式永磁同步风力发电机的一个重要参数。一般来讲，起动阻转矩包括机械摩擦转矩、磁滞转矩和齿槽转矩。