永磁電機在風力發(fā)電系統中的應用及其發(fā)展趨勢

王園

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

風能作為一種清潔能源，受到人們的高度重視，目前風力發(fā)電在各個領域中的應用范圍越來越廣。風力發(fā)電具有顯著的特點：一是風能密度相對較低，要想獲得功率較大的風能，需要工作人員借助直徑相對較大的風力機進行操作。二是風速相對不穩(wěn)定，這就需要工作人員通過變速恒頻技術進行操作，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，對其進行廣泛應用，從而使風力發(fā)電系統更加完善。

1 不同結構風電系統的特點與性能對比

1.1 不同結構風力發(fā)電機的特點

從發(fā)電機內部結構來看，當風電系統不同時，設計特點也有所差異。下面從幾種結構進行分析：其一，DFIG系統。該系統容易受到電網頻率的影響，由于電機的運行范圍相對有限，當工作人員確定額定轉速后，需要對極數進行確定，這樣才能確保系統正常運行。與永磁電機相比，該系統需要的功率不大，花費的成本相對較低，能夠節(jié)省大量資金。如果額定轉速要比同步轉速更高，在一定條件下，對于轉子銅的消耗較大，所以，在對該電機進行設計時，工作人員要對轉子散熱問題進行有效考慮，確保電機的穩(wěn)定性。其二，HSPM系統。在高速風力發(fā)電系統中，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構進行操作，這樣才能確保永磁體正常工作。其三，MSPM系統。中速永磁風力發(fā)電機的設計較為靈活，但工作人員很難對運行速度范圍進行有效選取，這就需要工作人員對風力機進行有效考慮，確保參數與實際情況相一致，這樣不僅能夠確保運行更為可靠，還能使傳動速比達到規(guī)定標準。其四，DDPM系統。在對DDPM系統進行設計時，工作人員要考慮幾個問題。一是選取電機結構。由于永磁電機有眾多結構，需要工作人員根據實際情況進行科學選擇，這樣才能確保磁通結構與系統情況相一致。二是選取電機極數。由于永磁電機極數具有較大的靈活性，工作人員可以通過增加極數對截面積進行減少，這樣不僅能夠使齒槽脈動轉矩大大減少，還能使其達到預期效果。

圖1

1.2 不同結構風力發(fā)電機的性能對比

其一，運行效率。以變速恒頻電機為例進行分析，當風速不斷增加時，額定風速逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，如果風速要遠遠小于額定風速時，發(fā)電機很難正常發(fā)電。其二，年發(fā)電量。當風速條件相同時，永磁電機具有顯著優(yōu)勢，不僅能夠有效節(jié)約電量，還能使系統較為穩(wěn)定。通過分析可知，4種結構年發(fā)電量的情況。其三，低電壓穿越。以并網型電機為例，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，在對系統結構進行分析時，工作人員要對低電壓傳統能力進行充分考慮，這樣才能全面研究系統結構的優(yōu)勢。其四，制造成本。風力發(fā)電系統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，無法對其進行準確判斷，這就需要工作人員對市場進行調研，了解材料的實際情況，這樣不僅能減少制造成本，還能提高經濟效益。

表1

2 永磁風力發(fā)電機的關鍵設計技術

2.1 永磁電機結構型式的選取

根據磁通情況可以對電機走向進行有效分析，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生一定磁通，工作人員能夠對結構形式進行有效劃分，根據電機情況分為插入式或者埋入式。該種電機的優(yōu)點為結構相對簡單，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速的相關要求，還能使其達到規(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，工作人員很難進行操作，這就需要工作人員對各方面的內容進行考慮，采取措施使其達到規(guī)定要求，因此，此種系統沒有得到全面推廣。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，但此種結構在制造時較為繁瑣，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)揮出其在風力發(fā)電系統中的作用。

2.2 減小齒槽脈動轉矩的方法

其一，合理選取極弧系數。極弧系數會受到永磁體寬度的影響，這就需要工作人員對極弧系數進行全面考慮，確保系數選取的合理性，這樣不僅能夠避免給齒槽轉矩帶來較大影響，還會降低電機成本。所以，工作人員在選擇極弧系數時，要對多個方面的內容進行考慮，這樣才能確保設計更加合理。其二，斜槽。在對電機進行設計時，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，還能對齒槽轉矩進行有效消除。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，還能避免出現失磁現象。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，導致失磁現象的發(fā)生；二是去磁磁場較大，遠遠大于永磁體的規(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行增加導電，這樣不僅能夠對諧波磁場進行阻止，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象進行全面反映，從而便于工作人員解決。

3 永磁風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢

3.1 電機結構型式

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，工作人員通過轉子滑道就能達到預期目的，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，因此在應用時，工作人員要對這一因素進行考慮，盡量選擇經濟性較高、操作相對簡單的永磁體結構，這樣才能提高永磁電機的使用性能。

3.2 電機冷卻技術

由于高速永磁風力發(fā)電機的熱負荷相對較大，并且散熱面積相對狹窄，需要工作人員運用水冷方式，這就需要相關人員加強對電機冷卻技術的應用，把其貫穿在風力發(fā)電系統中，提高其應用價值。首先，蒸發(fā)冷技術。蒸發(fā)冷是全新的冷卻方式，目前在發(fā)電機中得到了應用，此種技術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，高溫超導技術。此種技術是高溫超導材料發(fā)展的必然結果，由于此種材料在市場中的應用范圍相對較廣，具有較強的市場競爭力，發(fā)展前景相對廣闊。

4 結語

對于風力發(fā)電系統來說，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角度進行考慮，還能提高應用率，進而促進永磁電機的長遠發(fā)展。