永磁電機在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢

王園

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

風(fēng)能作為一種清潔能源，受到人們的高度重視，目前風(fēng)力發(fā)電在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍越來越廣。風(fēng)力發(fā)電具有顯著的特點：一是風(fēng)能密度相對較低，要想獲得功率較大的風(fēng)能，需要工作人員借助直徑相對較大的風(fēng)力機進(jìn)行操作。二是風(fēng)速相對不穩(wěn)定，這就需要工作人員通過變速恒頻技術(shù)進(jìn)行操作，確保電壓的穩(wěn)定，因此，工作人員要加強對永磁電機的重視，對其進(jìn)行廣泛應(yīng)用，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更加完善。

1 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)電系統(tǒng)的特點與性能對比

1.1 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機的特點

從發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)不同時，設(shè)計特點也有所差異。下面從幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：其一，DFIG系統(tǒng)。該系統(tǒng)容易受到電網(wǎng)頻率的影響，由于電機的運行范圍相對有限，當(dāng)工作人員確定額定轉(zhuǎn)速后，需要對極數(shù)進(jìn)行確定，這樣才能確保系統(tǒng)正常運行。與永磁電機相比，該系統(tǒng)需要的功率不大，花費的成本相對較低，能夠節(jié)省大量資金。如果額定轉(zhuǎn)速要比同步轉(zhuǎn)速更高，在一定條件下，對于轉(zhuǎn)子銅的消耗較大，所以，在對該電機進(jìn)行設(shè)計時，工作人員要對轉(zhuǎn)子散熱問題進(jìn)行有效考慮，確保電機的穩(wěn)定性。其二，HSPM系統(tǒng)。在高速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，使用永磁電機具有顯著優(yōu)勢，一是能夠減少對集電環(huán)的使用，這樣不僅能夠確保電機運行更為可靠，還能降低成本投入；二是能夠減輕電機的重量，一方面能夠使電機密度大大增加，另一方面能夠使電機的運行更高效。如果工作人員運用全功率變流器，發(fā)電機將不會受到電機轉(zhuǎn)速的影響，這樣不僅能夠使電機具有較高的靈活性，還能便于工作人員對于電機的操作。由于永磁體的承受力相對較低，需要工作人員通過埋入式結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，這樣才能確保永磁體正常工作。其三，MSPM系統(tǒng)。中速永磁風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計較為靈活，但工作人員很難對運行速度范圍進(jìn)行有效選取，這就需要工作人員對風(fēng)力機進(jìn)行有效考慮，確保參數(shù)與實際情況相一致，這樣不僅能夠確保運行更為可靠，還能使傳動速比達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。其四，DDPM系統(tǒng)。在對DDPM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，工作人員要考慮幾個問題。一是選取電機結(jié)構(gòu)。由于永磁電機有眾多結(jié)構(gòu)，需要工作人員根據(jù)實際情況進(jìn)行科學(xué)選擇，這樣才能確保磁通結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)情況相一致。二是選取電機極數(shù)。由于永磁電機極數(shù)具有較大的靈活性，工作人員可以通過增加極數(shù)對截面積進(jìn)行減少，這樣不僅能夠使齒槽脈動轉(zhuǎn)矩大大減少，還能使其達(dá)到預(yù)期效果。

圖1

1.2 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機的性能對比

其一，運行效率。以變速恒頻電機為例進(jìn)行分析，當(dāng)風(fēng)速不斷增加時，額定風(fēng)速逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，如果風(fēng)速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定風(fēng)速時，發(fā)電機很難正常發(fā)電。其二，年發(fā)電量。當(dāng)風(fēng)速條件相同時，永磁電機具有顯著優(yōu)勢，不僅能夠有效節(jié)約電量，還能使系統(tǒng)較為穩(wěn)定。通過分析可知，4種結(jié)構(gòu)年發(fā)電量的情況。其三，低電壓穿越。以并網(wǎng)型電機為例，其有著良好的穩(wěn)定性，并且低電壓穿越能力相對較強，因此，在對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，工作人員要對低電壓傳統(tǒng)能力進(jìn)行充分考慮，這樣才能全面研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。其四，制造成本。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容易受到材料以及市場物價的影響，給工作人員帶來較大困難，無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，這就需要工作人員對市場進(jìn)行調(diào)研，了解材料的實際情況，這樣不僅能減少制造成本，還能提高經(jīng)濟(jì)效益。

表1

2 永磁風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

2.1 永磁電機結(jié)構(gòu)型式的選取

根據(jù)磁通情況可以對電機走向進(jìn)行有效分析，一般情況下把永磁電機分為幾種類型：其一，徑向磁通永磁電機。該電機能夠使永磁體中產(chǎn)生一定磁通，工作人員能夠?qū)Y(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有效劃分，根據(jù)電機情況分為插入式或者埋入式。該種電機的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)相對簡單，制造較為便捷，工作人員能夠獨立選取軸向長度，這樣不僅能夠滿足轉(zhuǎn)速的相關(guān)要求，還能使其達(dá)到規(guī)定范圍。其二，軸向磁通永磁電機。該種電機的優(yōu)點是繞組相對簡單，噪聲相對較小，不會給人們帶來較大的影響，但也存在一定缺陷，一些有槽鐵心的加工較為困難，工作人員很難進(jìn)行操作，這就需要工作人員對各方面的內(nèi)容進(jìn)行考慮，采取措施使其達(dá)到規(guī)定要求，因此，此種系統(tǒng)沒有得到全面推廣。其三，橫向磁通永磁電機。該種電機具有良好的密度，銅耗相對較低，并且工作人員在繞組時較為簡單，但此種結(jié)構(gòu)在制造時較為繁瑣，需要花費大量的人力資源，因此，工作人員要全面分析利弊，發(fā)揮出其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的作用。

2.2 減小齒槽脈動轉(zhuǎn)矩的方法

其一，合理選取極弧系數(shù)。極弧系數(shù)會受到永磁體寬度的影響，這就需要工作人員對極弧系數(shù)進(jìn)行全面考慮，確保系數(shù)選取的合理性，這樣不僅能夠避免給齒槽轉(zhuǎn)矩帶來較大影響，還會降低電機成本。所以，工作人員在選擇極弧系數(shù)時，要對多個方面的內(nèi)容進(jìn)行考慮，這樣才能確保設(shè)計更加合理。其二，斜槽。在對電機進(jìn)行設(shè)計時，工作人員要加強對斜定子槽的重視，使用較為有效的方法，這樣不僅能夠降低制造工藝方面存在的困難，還能對齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效消除。其三，采用不對稱極寬。對于磁極分組而言，工作人員大多運用不等寬磁極，這樣不僅能夠構(gòu)成較為對稱的單元，還能提高使用效果。

2.3 永磁體的防失磁措施

永磁體的穩(wěn)定性對于發(fā)電機有著重要影響，不僅能夠確保其正常運行，還能避免出現(xiàn)失磁現(xiàn)象。失磁主要由兩個原因所造成：一是溫度過高，溫度大于永磁材料所規(guī)定的溫度，導(dǎo)致失磁現(xiàn)象的發(fā)生；二是去磁磁場較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于永磁體的規(guī)定范圍。對此，工作人員要采取防失磁措施。首先，選用耐高溫永磁材料，由于永磁電機長時間工作，使得轉(zhuǎn)子溫度相對較高，這就需要工作人員選擇合適的永磁材料，確保永磁材料具有耐高溫性，這樣才能提高永磁電機的應(yīng)用價值。其次，減小永磁體損耗，要想降低對永磁體的損耗，工作人員需要對永磁體表面進(jìn)行增加導(dǎo)電，這樣不僅能夠?qū)χC波磁場進(jìn)行阻止，還能使其形成閉合回路，降低對永磁體的損耗。最后，對最大去磁情況進(jìn)行有效考慮，在高溫條件下，會使得永磁體的長度發(fā)生改變，這就需要工作人員運用場路耦合方法，這樣才能對局部失磁現(xiàn)象進(jìn)行全面反映，從而便于工作人員解決。

3 永磁風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展趨勢

3.1 電機結(jié)構(gòu)型式

其一，超大直徑超薄永磁電機。工作人員可以通過提高圓周速度，對電機體積進(jìn)行減小，這樣不僅能夠使定子剛度得到保障，還能確保氣隙不發(fā)生變化，此種類型電機與自行車輪中的輻條大致相同，工作人員通過轉(zhuǎn)子滑道就能達(dá)到預(yù)期目的，避免浪費不必要的時間。其二，無鐵心定子永磁電機。定子鐵心對于電機有著重要作用，工作人員運用無鐵心定子有著顯著的優(yōu)勢，一方面能夠使電機的重量大大降低，另一方面能夠減少噪聲。但此類型電機的氣隙相對較大，需要較多永磁體，使得成本花費較多，因此在應(yīng)用時，工作人員要對這一因素進(jìn)行考慮，盡量選擇經(jīng)濟(jì)性較高、操作相對簡單的永磁體結(jié)構(gòu)，這樣才能提高永磁電機的使用性能。

3.2 電機冷卻技術(shù)

由于高速永磁風(fēng)力發(fā)電機的熱負(fù)荷相對較大，并且散熱面積相對狹窄，需要工作人員運用水冷方式，這就需要相關(guān)人員加強對電機冷卻技術(shù)的應(yīng)用，把其貫穿在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，提高其應(yīng)用價值。首先，蒸發(fā)冷技術(shù)。蒸發(fā)冷是全新的冷卻方式，目前在發(fā)電機中得到了應(yīng)用，此種技術(shù)能夠給電機效率帶來較大影響，這樣會降低銅耗，避免影響電機的正常工作。其次，高溫超導(dǎo)技術(shù)。此種技術(shù)是高溫超導(dǎo)材料發(fā)展的必然結(jié)果，由于此種材料在市場中的應(yīng)用范圍相對較廣，具有較強的市場競爭力，發(fā)展前景相對廣闊。

4 結(jié)語

對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，永磁電機有著顯著作用。因此，工作人員要加大重視程度，了解其發(fā)展趨勢，這樣不僅能夠從長遠(yuǎn)角度進(jìn)行考慮，還能提高應(yīng)用率，進(jìn)而促進(jìn)永磁電機的長遠(yuǎn)發(fā)展。