三相永磁同步電機—機械摩擦轉(zhuǎn)矩

機械摩擦轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子與機座等部件之間的軸承配合、密封及潤滑等方面的原因引起的摩擦轉(zhuǎn)矩，很大程度上取決于工藝水平，其計算非常復雜，但在起動阻轉(zhuǎn)矩中所占比例非常小。當永磁體相對于電樞鐵心運動時，會在電樞中產(chǎn)生磁滯損耗，被永磁體磁化的電樞鐵心內(nèi)的磁場滯后于永磁磁場一個角度，兩者相互所用產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩。磁滯轉(zhuǎn)矩在起動阻轉(zhuǎn)矩中所占比例也非常小。起動阻轉(zhuǎn)矩的主要部分為齒槽轉(zhuǎn)矩，要降低起動阻轉(zhuǎn)矩，必須降低齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理和削弱方法詳見第五章。由于直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機的電樞鐵心呈扁平狀，不能采用斜槽的方法，常用的方法是分數(shù)槽。

( 1）結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮冷卻與散熱。

大型風力發(fā)電機通常安裝在距離地面較高的機艙內(nèi)，會因散熱不暢而導致電機部件出現(xiàn)故障，維護和保養(yǎng)非常不便。另外，永磁材料對溫度變化比較敏感，溫度過高將造成永磁材料性能的降低，甚至不可逆去磁。因此，永磁同步風力發(fā)電機的溫升計算和冷卻系統(tǒng)設(shè)計非常重要。進行兆瓦級永磁同步風力發(fā)電機組的冷卻設(shè)計時，需要考慮整個系統(tǒng)的效率、尺寸和工藝實現(xiàn)的難度等。鑒于直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機本身的特點，以及整體經(jīng)濟性方面的考慮，直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機多采用風冷和水冷技術(shù)。

風冷風力發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、投資與運行費用較低、便于管理與維護等優(yōu)點，但其冷卻效果受氣溫影響較大，冷卻能力較弱。風冷分為自然風冷和強迫風冷，功率較小的風力發(fā)電機只需通過自然通風就可以達到冷卻要求。對于直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機，主要考慮兩個方面：一是電機外徑較大，考慮在扼部加裝離心式風扇以及利用轉(zhuǎn)子的“扇風”作用，促進冷卻氣流的流動；二是風力發(fā)電機的機體外就是促使電機運轉(zhuǎn)的自然風，且風速較大，可以考慮利用自然風來冷卻電機。

水冷是風力發(fā)電機采用的另一種冷卻方式，由于水的導熱系數(shù)比較高，其冷卻效果比風冷要好。采用水冷的發(fā)電機結(jié)構(gòu)更為緊湊，雖增加了換熱器與冷卻介質(zhì)管道的費用，卻大大提高了發(fā)電機的冷卻效果。同時由于機艙可以設(shè)計成密封型，避免了風沙雨水的侵人，給機組創(chuàng)造了潔凈的工作環(huán)境，延長了設(shè)備使用壽命。

一、直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機的特點

與常規(guī)發(fā)電機相比，直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機具有以下特點：

( 1）無齒輪增速箱，消除了齒輪箱滲漏油、磨損等隱患，系統(tǒng)維護工作量小，運行成本低，進人機艙維護方便。

( 2）噪聲小，系統(tǒng)簡單，運行可靠。

( 3）損耗小，系統(tǒng)效率高。

( 4）在20年的設(shè)計壽命期內(nèi)，總使用成本比帶增速齒輪箱的雙饋型風力發(fā)電機低15％。

( 5）機艙、發(fā)電機分開吊裝，單件起吊重量小于同功率帶增速箱的發(fā)電機。

( 6）機艙、發(fā)電機、輪毅采用正壓技術(shù)，可防止潮濕、鹽霧、沙塵等進人。

( 7）采用全功率變流器，可根據(jù)要求進行有功功率、無功功率及頻率輸出的任意調(diào)節(jié)，諧波含量低，具有很強的低電壓穿越能力以適應(yīng)電網(wǎng)擾動，并網(wǎng)特性完全滿足目前國際上最新風電并網(wǎng)技術(shù)標準的要求。

二、直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機存在的問題

直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機存在以下間題：

( 1）電機直徑大、重量大，需要考慮運輸、安裝等間題。

( 2）永磁體退磁問題。

( 3）風力發(fā)電機的使用環(huán)境惡劣、永磁體耐溫不高，所以冷卻問題尤為突出。

( 4）軸承和振動問題。

( 5）為避免電網(wǎng)對發(fā)電機的沖擊，需要考慮保護問題。

三、典型的直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機

由于直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機組具有噪聲低、壽命長、體積小、運行維護成本低、低風速時效率高等多種優(yōu)點，顯著提高了風力發(fā)電的效益。世界各國的學者和風力發(fā)電企業(yè)針對上述關(guān)鍵技術(shù)進行研究，開發(fā)了一批直驅(qū)式風力發(fā)電機，其中荷蘭Zephyros公司的272直驅(qū)永磁風力發(fā)電機較為典型川。

荷蘭Z即hyros公司在2002年生產(chǎn)出272直驅(qū)永磁風力發(fā)電機，如圖9一12所示，主要用于海上風力發(fā)電，具體性能參數(shù)見表9一1 。采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子空氣冷卻。圖9一13為不同輸出功率和不同轉(zhuǎn)速時的效率曲線。圖9一14為不同風速時的輸出功率。該發(fā)電機組在安裝之后的1 . 5年內(nèi)，工作了700oh，發(fā)電4500MW h。