永磁电机在风力发电系统中的应用及趋向探讨徐宏伟

永磁电机在风力发电系统中的应用及趋向探讨徐宏伟

徐宏伟

河北大唐国际新能源有限公司河北承德067000

摘要：在全球经济高速发展的背景下，对天然气的需求，煤炭、石油等不可再生资源的不断增加，对这些资源的开发和利用，造成对环境的破坏，污染严重，资源储量迅速减少，以实现人与环境的和谐发展，能源必须在环境议程。风力发电是一种利用风能的新技术，永磁电机具有运行可靠、效率高、功率密度高等特点，在风力发电系统中的应用，可以提高风力发电系统的生产效率和水平。

关键词：永磁电机；风力发电系统；应用；趋向

引言

永磁风力发电系统具有独特的结构，如高速双馈风力发电机、高速永磁电机的转速风力发电机，半直驱永磁风力发电机电机，低速直驱式风力永磁电机，为风力发电系统，可以提高系统的效率和可靠性。取得好成绩。当然，用于永磁电机发电技术更先进，但由于滑环和电刷等因素，在实际的风力发电还存在一些问题，这就要求新的经验和先进技术的发展，基于现有的基础上，利用风能的一个新的水平，在真正意义上改变传统火力发电的缺点，实现电力产业的良性发展。

1现代永磁电机技术

1.1充磁技术

在目前使用的现代永磁电机中，通常都是将充磁技术作为半导体元器件结构形式的支撑，从而使现代永磁电机充分发挥其应有的作用与功能，为我们的生活提供便利。但是随着科学技术的不断发展，半导体器件也随之不断变化，使其逐渐呈现出了许多突出特点，比如功率越来越大等等。由此在客观上就为充磁技术的发展提出了更多的要求，以此来适用现代永磁电机的不断创新。

1.2装配技术

由于NdFeB这种永磁材料具有高矫顽力的特点，因此在现代永磁电机的装配过程中，首先就需要保证单块NdFeB材料的稳定性，从而使装配技术顺利实施，为此我们需要进一步提升NdFeB材料的装配技术水平，从而使装配工作顺利开展。现代永磁电机具有一个十分显著的特点，那就是在开路状态下也不会失去磁性，为此我们可以大力应用NdFeB材料，以此来更好的生产现代永磁电机。

1.3解析技术

在现代永磁电机的解析过程中，磁路设计以及计算是其中非常关键的步骤，主要是应用模糊化磁路计算方法以及FEM计算方法。就目前的状况而言，现代永磁电机在解析时首先就需要确定磁路的参数，然后才可以进行精确的漏磁计算，从而实现对现代永磁电机的精准解析，以此来科学、合理的开展现代永磁电机的的设计工作。

1.4控制技术

智能化与模块化的发展是控制技术的主要表现，并且随着控制技术的创新，矢量控制技术被广泛的应用于现代永磁电机的设计过程中，不仅使现代永磁电机的种类大幅增加，还进一步扩大了永磁电机的市场，从而使永磁电机技术被应用于更多的领域。

2永磁电机在风力发电系统中的应用

2.1低速直驱永磁电机风力发电系统

低速永磁直驱式风力发电系统中的永磁风力发电机绕组，显示低频率、极数、直径和MW直接驱动的低速特性，所以有中速永磁电机、永磁电机设计特点的差异，包括低速永磁电机的体积大，材料的量较大，特别是永磁材料用量较大，其昂贵的价格会增加成本。

因此，基于成本考虑，低速永磁直驱风力发电系统应考虑以下几个方面：电机结构的设计，应采用横向磁场结构，轴向磁通结构和径向磁通结构三；冷却设计，通常会增加在定子外壳的散热片，可自然空气冷却；电磁负荷设计，对定子绕组的电流密度应严格控制，不能太高，防止绕组功率损耗过度增加。

2.2中速半直驱永磁电机风力发电系统

半速电机直接驱动永磁风力发电系统在该型风力发电系统的设计是比较灵活的，设计的困难包括发电机的额定转速，两方面的速度范围内，在正常情况下，半直驱永磁电机的风力发电系统采用速度或双速机制。

2.3高速永磁电机风力发电系统

高速永磁风力发电系统，该型风力发电系统的优势，降低了电动机的体积与重量，有效提高电机的功率密度；减少转子铁铜耗，提高电机运行效率，并可以节省成本；取消电刷、集电环电机运行，提高安全性和稳定性。例如，某企业生产的1.5MW高速永磁风力发电机，电机重量为5t，尺寸为2500×1700×1800（mm），而同功率的双馈风力发电机重量为6t，尺寸为3150×1600×1850（mm）。

2.4高速双馈电机风力发电系统

在高速双馈风力发电系统中，风力发电系统定子绕组的电压和频率受电网频率的影响。只有额定转速才能确定电机的极数。在额定转速下，高速永磁电机风轮具有电流频率高、功率小、成本低的特点。然而，较高的转子损耗会导致大量的热量，这在设计中应该加以考虑。

2.5不同类型风力发电系统的性能比较分析

2.5.1成本对比分析

不同结构的永磁风力发电系统具有不同的结构，其制造成本也存在一定的差异。然而，由于原材料、加工费用和市场价格等因素的影响，不同结构的永磁风力发电系统的成本难以准确地比较。通常比较以下几个方面：发电机是风力发电系统的重要组成部分，在系统总成本中占据非常大的比例，以某2MW直驱永磁风力发电系统为例，发电机成本占总成本的25%、风力机成本为29%、电控/变流器成本占15%、驱动链的成本为12%、变压器成本占2%；高速永磁电机风力发电系统的总成本比低速直驱永磁电机风力发电系统低34%。

2.5.2运行可靠性对比分析

由于无变速箱、无集电环电刷，四种不同结构的永磁电机风力发电系统的运行可靠性由高至低依次为：低速直驱永磁电机风力发电系统、中速半直驱永磁电机风力发电系统、高速永磁电机风力发电系统、高速双馈电机风力发电系统。

3现代永磁电机技术应用的发展方向

3.1大功率化

就目前的发展状况而言，现代永磁电机大功率化发展主要就是在应用NdFeB材料以及結合高速开关的基础之上，并且以此来实现变速驱动电源容量的最大化，从而使从我国的现代永磁电机功率不断增大，最终达到数百千瓦，转速也随之增加到3000r/min。

3.2大转矩化

以船用的推进器永磁无刷直流电机为例，这个直流电机的成功研发以及在国内外的使用、推广，使其额定转矩发生了非常大的变化，这是因为永磁无刷直流电机的磁极采用的是衫钻永磁材料，这就使得该直流电机的容量可以达到1095kw，转速为230r/min。跟一般的直流电机比较，容量大大增加，但体积相对减小。

3.3耐高温化

随着科学技术的不断发展，各种各样的新型材料走进了我们的视野，对于一些新型材料的应用不仅可以提高现代永磁电机的性能，还可以进一步缩减生产成本。在电机绕组中，我们采用的就是玻璃纤维以及现代陶瓷等新型材料对其内部进行绝缘处理，同时还应用了固体润滑脂以及陶瓷轴承，从而使现代永磁电机可以在一定的高温条件下稳定运行。

3.4一体化

目前，家用电器或者是各种各样的办公自动化技术的普及和应用，不仅使永磁无刷直流电机实现了在同一机壳内的组装，还推动了现代永磁电机一体化的进程，在世界范围内，法国、日本、德国等国家都已经成功的应用了一体化的永磁无刷直流电机，并且在实际应用中该电机的最大容量达到了100kw，但是其机身重量还没有达到30kg，由此可见，该永磁无刷直流电机正向着轻量化的方向发展，并取得了一定的成绩。

结语：

总之，许多类型的永磁风力发电系统、永磁动力发电机技术逐渐结合，结构多样化，生产过程模块化的发展方向，不断提高风电系统的可靠性和运行效率。

参考文献：

[1]丁文龙.永磁直驱式风力发电系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2011，（6）.

[2]颜建虎，林鹤云，冯奕.磁通切换型横向磁通永磁风力发电机[J].中国电机工程学报，2010，（21）.