小型交流永磁风力发电机设计特点.pdf

　　收稿日期 :1999 - 05 - 22 　　专题讲座 　　　　 小型交流永磁风力发电机设计特点 小型风能发电及其发电机 (2) 郭继高 (南京航空航天大学 ,南京 210017) 　　【摘 　要】　文章分析了小型风能发电装置用交流永磁 发电机设计中的特殊性 ,着重讨论了该发电机分数槽绕组、 起动阻转矩及发电机与风力机匹配等问题。 【关键词】　风能发电 　永磁风力发电机 中图分类号 : TM315 　　　文献标识码 :B 文章编号 :1004 —7018( 1999) 06 —0036 —03 1 引 　言 人们曾使用过直流发电机、电磁式交流发电 机、爪极式发电机、磁阻式发电机以及感应子式发 电机等用于小型风能发电装置。随着永磁材料的 技术发展 ,永磁材料磁能积大大提高 ,目前主要使 用永磁发电机。该类电机不论从电气性能上 ,还是 在安全可靠性上讲 ,都优于前几类发电机。由于该 类发电机的应用场所与一般发电机不同 ,其技术要 求有其特殊性 ,在性能上又必须与风力机有良好的 匹配 ,因此 ,就该类发电机中的几个问题进行一些 分析、探讨。 2 技术要求 图 1 为小型风能发电装置的原理图 ,风驱动风 轮旋转 ,将风能转为机械能 ,风轮带动发电机旋转 , 将机械能转化为电能 ,整流后输出。该类发电机的 设计 ,首先要选择发电机的型式和整流线路 ;确定 计算的整流功率 ,额定功率、电压、转速等。对它的 主要技术要求为 : (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 min ; (8) 发电机在空载情况下 , 应能承受 2 倍额定转速 ,历时 2min ,转子结构应不 发生损坏及有害变形 ; (9) 发电机应能防雨雪 ,防 沙及防雷。 除此之外 ,还应符合一般电机的绝缘、耐压、机 械强度等技术要求。 技术要求中 (5) 、(6) 、(7) 、(8) 是风力发电机的 特殊要求 ,下面将分别进行分析。 图 1 　小型风能发电装置的原理图 3 电磁负荷的选择 近代电机制造的实践和电机长期运行的经验 大致给出了设计电机的线负荷 A s 和磁负荷 Bδ的 范围。当 A s 和 Bδ的乘积相同时 ,则 A s 和 Bδ之间 的比值决定着发电机的不同参数 ,力能指标和质 量。当 Bδ大而 A s 小时发电机为富铁型 ,而当 A s 大而 Bδ小时发电机为富铜型。 电机电负荷的大小以电机绕组的电流密度 j (A/ mm 2 ) 及线负荷 A s (A/ cm) 来衡量 ,电负荷越大 , 铜损越大。对于小功率的风力发电机 ,一般为低压 大电流。特别是 1kW 以下发电机大多采用 24、36V 或 48V(整流后的直流) ,这种电机的额定电流较大。 对于 1 至 10kW的小功率发电机 ,也不能取过高的额 定输出电压。因为该类发电机主要采用蓄电池储 能 ,电压高 ,必须用更多的蓄电池 ,提高了整机的成 本 ,一般客户难以接受。总之 ,小功率风力发电机线 负荷比较高 ,属富铜型发电机 ,电机的铜损大 ,约占 电机总损耗的 70 %左右 ,这是客观情况。此外 ,发电 机的输出功率是随风速增加而增加的 ,如图 2 所示。 63 微特电机　1999 年第 6 期 发电机功率提高 ,发热增加 ,但随着风速增加 ,散热 条件大大改善 ,因此 ,对于该类发电机不应格守一般 电机选取 A s 的标准 ,可选取较高 A s 值 ,既需要又允 许。例如一般小功率电机 A s 为 60 至 80A/ cm ;而该 类发电机的 A s 可取为 100 至 150A/ cm ;而采用高效 喷油冷却的航空发电机 A s 可达 300A/ cm 左右。因 此 A s 的选择要综合考虑电机损耗、效率、散热和应 用场合 ,取得一合理数值。 磁负荷 Bδ的选择 ,可完全依照电机理论的一 般原则 ,这里不再赘叙。 图 2 　发电机输出特性 4 定 　子 4. 1 定子齿槽 基于该类发电机的电负荷较高 ,铜损大 ,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。这一点不是每个厂家都考虑到的。往往 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。发电机运行 2 至 3 小时后 ,温升急 骤上升 ,输出功率也迅速下降 ,从而使额定输出功 率达不到要求。