科学瞎想系列之一四九 永磁风力发电机的设计特点

作为一种清洁的可再生能源，风力发电被认为是目前最经济、技术最成熟的新能源，在过去二十年里，风力发电技术和产业得到了迅猛发展。特别是在国家提出“双碳”目标后，我国的风力发电行业再次进入一个高速发展新阶段，其主要标志是：单机组容量迅速向大型化发展、装机地点从陆上向海上发展、技术路线百花齐放、技术和产品迭代周期大大缩短… 说到风力发电，自然离不开发电机。不同技术路线的风电机组所配的发电机种类也不尽相同，其中永磁同步发电机因其体积小、重量轻、效率高等特点，被广泛应用于风力发电领域。那么风电用的永磁电机与其它(如电动汽车)领域用的永磁电机有何区别？在设计上又有哪些特点？许多同学希望专门讲一讲永磁风力发电机设计方面的知识，应这些同学们的请求，本文就永磁风力发电机的设计特点作一系统论述。 1 风力发电机组技术路线概述 在风力发电领域，虽然技术路线百花齐放，各主机厂商和相关科研单位都试图尝试一些新的技术路线，但截止到目前的二十余年来的实践表明，有两大类机型优势明显，成为当今主流机型：一类是采用全功率变流装置对发电机输出电功率进行控制，实现变速恒频恒压并入电网；另一类是通过部分功率的变流装置控制，实现全功率的变速恒频恒压并入电网。不同的技术路线，所采用的发电机类型也不尽相同。前者以“永磁发电机或鼠笼异步发电机➕全功率变频器”为典型配置；后者以“双馈异步发电机➕转差功率变频器”为典型配置。两种技术路线的原理框图如图1所示。

在机械传动链方面，前者又有三种传动方式：一是不用变速箱，风轮直接驱动发电机发电，此时发电机转速与风轮转速相同，转速很低，我们称之为“低速直驱”传动方式，这种传动方式由于发电机转速很低，发电机体积庞大，极数很多，更适合采用永磁同步发电机或电励磁同步发电机，不适合采用鼠笼异步发电机；第二种是通过高变速比的变速箱将风轮转速提高到一个比较高的转速(通常大于1000rpm)后再驱动发电机发电，我们称之为“高速驱动”方式，由于这种传动方式发电机转速较高，电机的体积、重量较小，极对数也相对较少，更适合采用高速永磁同步发电机、电励磁同步发电机或鼠笼异步发电机；第三种是通过变速比较小的变速箱将风轮转速提高到每分钟一百至数百转的“中速”后再驱动发电机发电，我们称之为“中速驱动”方式。为了减轻机组的整机重量和体积，中速驱动方式通常会将变速箱和发电机高度集成在一起，因此也称这种传动方式为“中速半直驱方式”，这种传动方式发电机的转速介于低速直驱和高速驱动方式之间，发电机的极对数也介于二者之间，通常采用中速永磁同步发电机，其次也可以采用电励磁同步发电机，个别情况也有采用中速异步发电机的案例。对于后者的“双馈异步发电机➕转差功率变频器”机型，其传动链基本都是风轮经高变速比齿轮箱驱动双馈异步发电机的高速驱动方式。 上述两种主流技术路线各有千秋，在目前风电市场上的占有率不相上下。永磁发电机或鼠笼异步发电机➕全功率变频器的机型由于发电机没有滑环碳刷装置，可靠性较高，维护简单，更适合海上风电机组，但由于采用了全功率变频器，成本较高；双馈异步发电机➕转差功率变频器机型由于变频器容量只是转差功率，变频器容量较小，成本较低，但由于双馈异步发电机存在滑环碳刷装置，需要定期维护，且滑动电接触的可靠性略低，不宜将单机容量做得太大，因此更适合陆上风电机组。随着风电机组单机容量逐步增大和海上风电的飞速发展，永磁发电机➕全功率变频器的机型将逐步体现出其可靠性高，维护成本低的竞争优势，成为未来海上风电机组的主流方向，特别是中速半直驱永磁风电机组，优势更加明显。加之电力电子技术的飞速发展，电力电子器件成本大幅降低，这种机型的优势会更加凸显，未来不仅会成为海上风电的主流机型，在陆上风电市场也将更加具有竞争力。 2 风力发电机组的运行特性

2.1 风含功率及风能利用系数 前面的文章中我们讲过，风所含的功率与风速的三次方成正比，即风含功率： P₁=(1/2)ρAV₁³ ⑴ 式中：ρ为空气密度；A为风轮扫风面积；V₁为来流风速。 风虽然含有这么大的功率，但风轮并不能把风含的全部功率都能够捕获。根据贝兹(Betz)理论，风轮能够捕获到的理论最大功率只占风含功率的59.3%，由于风轮存在各种损耗、机组运行安全性方面的考虑以及制造方面的原因，风轮实际捕获的风功率要比这个理论值低一些，我们把风轮捕获的风功率与风含功率之比称为风轮的风能利用系数，用Cp表示。也就是说，上述59.3%是Cp的理论最大极限值，实际风力发电机组的Cp值会低于此值。 在实际的风力发电机组设计时，风轮所捕获的风功率就等于风含功率乘以Cp，即风轮捕获的风功率： P=Cp•P₁=(1/2)ρACpV₁³ ⑵ 如上所述，Cp的理论最大值是59.3%，实际中的Cp值与风轮的叶尖速比λ和叶片的桨距角β有关，所谓“叶尖速比λ”是指风轮旋转时叶尖的线速度与来流风速之比，即： λ=πDn/V₁ =RΩ/V₁ ⑶ 式中：D为风轮直径；R为风轮半径；n为风轮的机械转速(转/秒)；Ω为风轮的旋转角速度(弧度/秒)；V₁为来流风速。 也就是说，实际风轮的Cp值是关于β和λ的多元函数。如图2所示，为Cp随不同桨距角β和叶尖速比λ变化的曲线。

由图2可见，在不同桨距角下，可以得到一簇Cp曲线，对应每一个固定的桨距角，只有一条Cp随λ变化的曲线，如图3所示。由图3可见，当桨距角一定时，总有一个最佳的叶尖速比λopt使风轮的Cp值处于最大，因此当风速变化时，只要控制风轮转速，使叶尖速比始终保持不变(λ=λopt)，就能够获得最大风能利用系数Cpmax，这也是变速风力发电机组在低风速时追求的控制目标。 2.2 变速风力发电机组的控制及转矩—转速特性 随着电力电子技术和控制技术的飞速发展，现代并网型风力发电机组都采用了变速恒频和变桨控制技术。与早期的失速型风力发电机组相比，由于采用了变速和变桨控制技术，使得机组的风速适用范围更宽、同样的风况下发电量更多、机组受到的机械应力载荷更小…机组的运行状态得到了极大改善。 风力发电机组的控制除了满足机组的启动、切入、切出、停机和保证机组可靠运行等基本功能外，最重要的是在不同的运行风速下，使机组处于最佳的工作状态，在保证机组安全的情况下尽可能多地提高发电量。这就需要根据各种不同的风况采用不同的控制策略和控制方法来实现。具体讲就是：在低风速时，各种运行参数还未达到机组的各种极限限制条件，此时应该控制机组尽可能多地捕获风功率，提高发电量；在高风速时，某些运行参数可能已达到了机组的极限限制，此时就需要限制风功率的捕获，以使机组的转速、功率、转矩等运行参数限制在安全范围内，同时保持风力发电机组在额定功率下运行。在实现上述功能前提下，还要考虑付出的控制代价尽可能小，尽量使控制系统简单以降低成本。 如图4所示，为风轮在不同风速下的转矩-转速特性。图中还同时画出了风力发电机组的各种参数的极限限制线和最佳的控制目标线。

图4中，那条水平线AB为转矩限制线，即机组结构和绕组的电负荷所能承受的最大转矩极限，机组在运行时转矩必须限制在该线以下；那条竖直线BC为转速限制线，即机组结构所能承受的最高转速极限，机组在运行时，转速必须限制在该线的左侧；曲线dc为功率限制线，即机组运行时所能承受的最大功率极限(一般为额定输入功率)，它是一条等功率曲线，即这条曲线上的各个工作点的功率都相等，由于功率等于转矩(纵坐标)乘以转速(横坐标)，当它们的乘积为恒定值时，它就是一条双曲线，对应不同的功率值会得到一系列等功率双曲线。机组在运行时，风轮捕获的功率必须限制在该线的下方。由以上这些极限限制线和两个坐标轴围成的区域OAdcC就是风力发电机组的安全运行区域，在这个区域中的任何一个工作点运行机组都是安全的。这个区域的每个工作点可以通过不同的控制方法来实现，但这个区域的每个工作点并不一定是机组运行时工作点，更不是我们要追求的最佳工作点。 对于定速风力发电机组，其工作点就只能运行在一条竖直的直线(例如竖直线XY)上，沿这条竖直线上的工作点运行时，机组的转速恒定，对应不同的风速，转矩不同，因而机组的功率也不同。由图可见，随着风速的的增大，机组功率也会增大，但并不都是该风速下可以达到的最大功率，也就是说，定速风电机组并不是在任何风速下都能以最大风能利用系数运行，只有一个工作点(M)运行在Cpmax状态，其余风速下都不是运行在捕获最大风功率的状态，这也是定速风力发电机组的固有缺点。 对于变速风力发电机组，只要我们控制发电机的转速和转矩沿着图中Cpmax曲线运行，那么机组就能够在各种风速下都能运行在最大Cp值状态，以尽可能多地捕获到风功率转换成为电功率，这是变速风力发电机组最突出的一大优点。这条Cpmax曲线其实就是一系列等功率的双曲线和一系列不同风速下的风轮转矩—转速曲线的切点所连成的曲线。 风力发电机组在运行时会根据不同的风况采取不同的控制策略以达到最佳的运行效果。通常在各种不同风况下按照不同的控制策略，风力发电机组有以下四段运行区间： ① 启动运行区间。当风速达到启动风速时，变桨系统开始从叶片的顺桨状态逐步减小桨距角，风轮开始产生转矩，机组逐步启动，转速从静止状态逐步上升到切入转速时，即可切入发电，此时机组运行在图4中的a点，桨距角达到正常运行状态。在机组切入之前(a点以下)，发电机并未投入并网发电，机组只是在风轮的驱动下逐步加速，空载旋转。因而该区间不涉及对发电机的控制问题。 ② 变速运行区间。机组切入并网之后，机组控制系统开始对机组的转速和转矩进行控制。随着风速的变化控制风轮转速，使叶尖速比保持在λopt的最佳状态，这样风机的Cp始终保持在Cpmax，捕获最大风功率，直到风轮转速达到b点，此时风轮转速达到极限值(额定转速)。在这个过程中桨距角β是固定不变的，只是通过控制发电机的电磁转矩来控制风轮转速，我们称这一过程为变速控制过程，a点到b点的这段区间称为变速运行区间，从a点到b点的转速范围称之为变速运行范围。变速运行区间的控制目标就是追求最佳叶尖速比和最大Cp值，尽可能多地捕获风功率，最大特点是只变速不变桨，桨距角恒定，风轮转速随风速成正比变化。 ③ 恒速运行区间。由图4可见，机组运行于b点时，转速虽然已经达到极限值，但功率并未达到极限值(额定功率)，如果风速进一步增大，则风轮的转速不能继续增大，只能在保持该转速恒定不变的状态下，增大发电机的电磁转矩，来进一步增大功率，直至达到c点，此时机组的转速和功率均已达到极限(额定)值，c点即为机组的额定工作点，从b点到c点的这段区间称为恒速运行区间。在恒速运行区间，控制不再追求最佳叶尖速比和最大Cp值，只追求转速恒定，转矩随风速变化而变化。 ④ 恒功率运行区间。当机组运行至c点时，机组转速和功率均已达到额定，此时如果风速进一步增大，则机组开始通过变桨来限制风轮捕获风功率，保持机组的转速和功率均为额定值不变，机组一直运行在c点，直至达到切出风速时，机组切出。我们称这段区间为恒功率运行区间。恒功率运行区间的最大特点是只变桨不变速，风轮不追求最大风能利用系数，而是限功率运行，保持转速和功率均在额定状态下运行。当然，如果在高风速时再遇到强阵风，机组可能会出现短时超速或过转矩的情况，这一方面是因为变桨系统惯性较大，来不及跟随突变的阵风而及时变桨；另一方面这也是为了提高发电量而有意为之的措施，因为阵风所含的功率可使大惯量的风轮等旋转部件加速，储存动能，在阵风过后再缓慢释放储存的动能转换成电能，这样就充分利用了高风速时阵风所含的能量提高了发电量，而付出的代价就是机组必须能够承受一定的短时超速和过载要求。对发电机而言，通常要求发电机需要承受在1.15倍额定转速下仍能以额定功率发电2分钟。在过载方面，要求发电机应能在额定转速下过载10%维持1小时，但此时温升不作考核，只要过载消除后性能不受影响即可。 如图5所示，为机组的桨距角、转速及输出功率随着风速的变化而变化的曲线。

由图5可见，机组启动切入运行后，在额定风速以下运行时，只变速不变桨，通过控制发电机的电磁转矩(或输出功率)来控制机组的转速，以追求最佳叶尖速比捕获最大风功率为目标进行控制，此时桨距角恒定，叶尖速比恒定为最佳叶尖速比λopt，因此机组转速随风速成线性增大，输出功率随风速成3次方增大，如图5中的B区；当机组转速达到额定转速后，转速不再与风速保持线性关系，而是保持转速恒定，此时桨距角仍然维持恒定，机组转速不再处于最佳叶尖速比，Cp值也不再处于最大状态，但由于此时功率尚未达到额定值，随着风速的进一步增大，转速虽然不再升高，但风轮所受到的转矩仍然在增大，因此输出功率也相应地随风速的增大而增大，如图5中的C区域；当机组达到额定功率后，风速若仍继续增大，就必须启动变桨系统，使桨距角β增大，限制风功率的捕获，机组维持在恒速、恒功率运行，如图5中的D区域，直到风速达到切出风速时顺桨切出运行。 综上所述，风力发电机在运行时的转矩—转速特性如图6所示，该特性曲线是设计风力发电机时最重要的设计依据。

3 永磁风力发电机的设计特点

篇幅所限，本文只介绍永磁风力发电机的电磁设计特点。 3.1 电磁负荷及主要尺寸的确定 电磁负荷的高低与电机的体积重量密切相关，而电磁负荷的选择主要取决于电机的冷却方式。对于大型永磁风力发电机，通常有：风冷、空—空冷、空—水冷、水套冷、水套➕空—水冷等多种冷却方式。不同的冷却方式，在电磁负荷的选择方面也略有不同。 所谓风冷就是通过强迫风机将过滤后的环境空气直接送入发电机内部对电机进行冷却，冷却后的热风被直接排出机舱外，由于这种冷却方式只有初级冷却介质，而且初级冷却介质就是环境空气，温度较低，因此电磁负荷可以取得略高一些，通常可取线负荷A≈800A/cm左右，电流密度J≈3.5～4.0A/mm²，热负荷AJ≈3000A²/(mm²•cm)左右；对于其它冷却方式，由于电机内的初级冷却介质(内风路空气)需要再通过次级冷却介质(水或外部环境空气)冷却，这样初级冷却介质的温度往往较直接风冷的介质温度高，因此电磁负荷的选取应略低一些，通常可取线负荷A≈700A/cm左右，电流密度J≈3.5A/mm²左右，热负荷AJ≈2000A²/(mm²•cm)左右。关于磁负荷，需要根据电机额定运行时的频率(基频)来选取，基频在50～100Hz之间时，建议取气隙磁密Bδ≈0.75T左右，定子齿磁密以不超过1.5T、定子轭磁密不超过1.3T为宜，由于转子铁心内磁场不交变，因此转子轭磁密可适当高一些，以不超过1.6T为宜；基频在50Hz以下时，建议取气隙磁密Bδ≈0.8T左右，定子齿磁密以不超过1.8T、定子轭磁密不超过1.5T为宜。另外由于电压等级的高低使得绝缘厚度也有所不同，也会影响到电磁负荷的选择，以上电磁负荷的选取是低压(电压不超过1100V)时的参考值，电压等级较高时，电磁负荷应适当降低。关于电磁负荷的选取，上述取值范围仅供参考，其实对于从事电机设计的工程师而言，最好是参考本单位同类成熟产品的电磁负荷选取比较靠谱，因为不同的公司在工艺、制造精度、材料选型等方面也有所不同，这些均会影响电机的散热和温升，因此也会影响到电磁负荷的选取。 电磁负荷确定后即可根据电机设计有关知识估算电机的主要尺寸，电机的主要尺寸包括铁心的三圆(定子铁心外圆、内圆和转子铁心内圆)直径、铁心有效长度等。这里需要强调的是，主要尺寸的确定除了要根据电机设计的相关理论进行估算外，更重要的是还要参考本公司现有的生产条件和原材料的规格，特别是定子外圆直径的确定，应尽量使用现有的工装模具，对于高速永磁风力发电机，定子铁心尽量选用整圆冲片，由于目前国内的硅钢带最大宽度为1200mm，因此定子铁心的外径最好选取在此尺寸之内。对于中低速永磁风力发电机，通常定子铁心采用扇形片拼接成圆，可不受硅钢带宽度限制，但应考虑材料的套裁问题，以提高材料利用率。 3.2 极槽配合 永磁电机的极槽配合与永磁电机的气隙磁密波形、输出电压波形、振动噪声等性能密切相关，另外在转速给定后，极数的选取就决定了电机的基频，而基频的高低又与变频器的开关频率密切相关，因此在极槽配合选择方面应充分考虑变频器的开关频率、电机输出的电能品质、齿槽转矩、振动噪声、制造工艺等因素。 首先是极数的确定，应根据电机的转速和变频器的开关频率来确定发电机的极数。对于兆瓦级的大功率变频器而言，通常变频器的开关频率在2～3kHz左右，随着风力发电机单机容量的不断增大，开关频率还会更低，大约在1kHz左右甚至更低，在此开关频率的限制下，为了减小变频器输出的谐波，使输出更加正弦，应该保证一定的载波比，受开关频率和载波比的限制，基波频率应不大于100Hz。对于带有齿轮箱的中、高速永磁风力发电机，极数的选择一般按其在额定转速时的基波频率在50Hz左右，最高应不超过80Hz为宜；对于直驱永磁风力发电机，基频大约在20Hz~50Hz为宜。据此选择发电机的极数。 极数确定后就是槽数的选取，永磁风力发电机尽量不要选择分数槽绕组，应选择整数槽绕组，如果尺寸或工艺所限必须选择分数槽绕组时，最好是选择每极每相槽数q的分母为2的分数槽绕组，分母不宜过大，因为这种情况通常是发生在直驱永磁风力发电机中，这种电机的极数很多，定子轭部较窄，刚度较差，q的分母太大会产生阶次较低的分数次谐波，从而产生节次较低的径向力波，电机的振动会较大。对于高速永磁风力发电机，由于极数较少，每极每相槽数可以选得较大，一般选q=4~6；对于半直驱永磁风力发电机，由于极数较多，不能选取太大的q，一般可选取q=2~4为宜；对于直驱永磁风力发电机，由于极数更多，尺寸所限q还会小一些，一般选取q=1.5~3为宜。 3.3 磁路结构设计 永磁电机的磁路结构灵活多样，磁钢布置有切向、径向、表贴、内嵌等形式，内嵌磁钢又有V字型、一字型、多V型、凸极型等多种形式。但万变不离其宗，这些不同的磁钢布置形式和磁路结构体现在电机参数上无非是有三种不同的交直轴电感组合：即：Ld＜Lq、Ld＞Lq和Ld=Lq。这三种不同的电感组合适用于不同应用场合的永磁电机和不同的控制策略。 我们知道，永磁电机的电磁转矩除了永磁转矩外还有一种分量叫磁阻转矩。如果Ld=Lq，那么在任何情况下都不会产生磁阻转矩，只有Ld≠Lq时，才可能产生磁阻转矩。当Ld≠Lq时，如果采用Id=0控制，也不会产生磁阻转矩，只有采用Id≠0的控制策略时才产生磁阻转矩。正因如此，有些应用场合的永磁电机为了充分地利用磁阻转矩，会专门设计成内嵌式、凸极等特殊的磁路结构，使得Ld≠Lq，以充分利用磁阻转矩节省磁钢用量。那么什么应用场合的永磁电机会尽量利用磁阻转矩呢？当然是在采用Id≠0的控制模式下的永磁电机。接下来我们就分析一下不同应用场合的永磁电机应该采用何种磁路结构，永磁风力发电机应该采用什么磁路结构较为合适。 提到永磁电机的应用，最容易想到的是新能源汽车的驱动电机。的确，电动汽车和风力发电是永磁电机应用最广泛的两大领域，它们都属于新能源范畴，一个是新能源发电端，一个是新能源的用电端，但这两个应用场合的永磁电机其转矩—转速特性却截然不同，因此它们的设计特点也会有所不同。为了比较二者差别，现将电动汽车驱动电机的转矩—转速特性也展现于此，如图7所示。

由图7可见，电动汽车驱动电机的工作转速范围很宽，为了满足汽车在启动和低速爬坡(如出地下车库)时的动力需求，要求电机低速时输出的峰值转矩很大，这样就能使驾乘人员体验到启动加速时的推背感；当转速达到一定值(转折转速)后，又要求电机能够在较大的转速范围内保持足够大的功率，以满足汽车高速运行和超车时的动力需求，即汽车驱动电机必须在很大的转速范围内满足低速大扭矩和高速大功率的要求。这就决定了电动汽车驱动电机的设计特点：应该以转折转速为基础，在转折转速点以下区域必须能够输出峰值转矩，达到转折转速时，达到峰值功率，此时电机的电压和电流均已达到极限值。转速超过转折转速后，必须对电机实施弱磁控制，由于弱磁必须要付出一定的电流(-Id)代价，在控制器输出总电流一定的情况下，用于产生永磁转矩的交轴电流必然减小，从而使得永磁转矩急剧减小，功率也随之减小，为了保证在高速时输出功率仍然保持足够大，就必须充分利用磁阻转矩来维持高速功率恒定。要想使电机在-Id的情况下产生足够大的磁阻转矩，就必须在磁路设计时使得Lq＞Ld，即设计的磁路必须具有足够大的反凸极比(Lq/Ld)，因此电动汽车驱动用的永磁电机转子多设计成V型或多V型嵌入式磁钢结构，以提高反凸极比，如图8所示。

这样在弱磁(-Id)的情况下，虽然永磁转矩减小但由于充分利用了磁阻转矩作为补充，使得总转矩能够在较大的高速范围内不致于降低太多，电机的输出功率在较大的高速范围内能够保持恒定，从而满足汽车驱动电机在较大转速范围内的低速大扭矩和高速大功率的动力特性。 对比图6和图7两种永磁电机的特性曲线不难看出，永磁风力发电机的转矩—转速特性与电动汽车驱动电机的转矩—转速特性截然不同。在低速时，永磁风力发电机需要输出的转矩并不大，这是因为低风速时风含功率很小，风轮捕获的风功率也很小，风轮驱动发电机的转矩同样很小，随着风速的增大，发电机的转速(直驱时即为风轮转速，有变速箱时需乘以变速比)将成线性增大(叶尖速比λ恒定)，而发电机的转矩将随转速成平方增大，功率随转速成三次方增大，当达到额定风速时，变桨系统将限制发电机的转速不再随风速的增大而增大，而是保持转速恒定，只是转矩随风速增大而增大，功率继续随风速增大而增大，直至达到额定功率后，风速再增大风轮也不会捕获更多的风功率，而是保持恒转速、恒功率运行。由此可见，永磁风力发电机在全工作风速范围内，不存在大范围高速运行区间，也不存在高速弱磁的问题，这是与汽车驱动电机的本质区别，这就决定了永磁风力发电机设计时，不必考虑在大范围高速区间弱磁保持恒功率，也不必考虑利用磁阻转矩的问题。因此永磁风力发电机通常采用Id=0控制，转矩或功率追踪整机主控给定的功率曲线运行。正因如此，永磁风力发电机通常采用类似表贴式的磁路结构，即使是内嵌式磁钢结构，也只是考虑磁钢的安装紧固和工艺原因所为，并非是为了增大凸极比所为，在满足磁钢的紧固要求前提下，尽量减薄磁钢槽外侧的极靴厚度，使磁钢尽量靠近气隙，以达到和表贴式磁钢相近的效果，如图9所示。

也许有人认为永磁风力发电机也可以设计成在低于额定转速时反电势达到额定电压，这样在额定转速时就需要弱磁，就可以和电动汽车驱动电机那样采用V型内嵌磁钢利用磁阻转矩了。仔细分析就会发现，这种设计方案是极不合理的。首先，在低速下反电势就达到额定电压，就意味着磁钢用量或用铜量(匝数)增加，成本增加；其次，这种成本的增加不仅没有带来性能上的好处，反而在额定转速下由于反电势过高，一旦变频器失控，容易击穿变频器的功率器件，对电机的绝缘安全也不利，特别是在高风速的阵风情况下，发电机可能会短时超速，这样变频器和电机的击穿风险会更大；第三，由于额定转速时反电势已超过额定电压，因此在高速运行时必须实施弱磁控制，使控制更加复杂；第四，虽然在输出同样转矩(功率)时提高反电势可以可以减小交轴电流，但弱磁也需付出一定的电流代价，因此总电流未必会减小，如果反电势过高，反而会使总电流增大，导致电机效率下降、变频器容量需增大，使性能和成本进一步恶化。综上所述，这种设计方案并不是一种好的选择，只是为了弱磁利用磁阻转矩而做的一种画蛇添足的做法。 其实有些发电机厂家与上述做法正相反，不是提高反电势，而是有意降低反电势，使得发电机在大多工况(包括额定工况)下处于助磁运行状态，这虽然会导致功率因数降低，定子电流有一定程度的增大，定子用铜量有所增大，但磁钢用量却可以减少，而磁钢的价格远高于铜价，因此总的成本会有所降低。在这种情况下，由于发电机运行于助磁状态，如果设计成Ld＞Lq，即磁极设计成正凸极比，反而能够利用到磁阻转矩。从图9可以看出，转子磁极设计成凸极形状、磁钢下面的镂空形状、极靴表面设计成不等气隙…这一系列措施除了可以减轻重量、节省材料、改善通风散热外，还有一个重要作用就是增大了Ld而减小了Lq，尽量实现正凸极比。当然，由于直轴磁路中不可避免地要穿过磁钢，要想增大Ld并非易事，而且增大Ld必然会带来漏磁的增加，磁钢利用率会降低。另外由于运行于助磁状态，同样会增加控制的复杂性。但这种设计还会带来一个好处，就是短路电流和短路转矩较小，这也是永磁风力发电机求之不得的。 3.4 永磁风力发电机的参数设计 永磁风力发电机电磁设计与一般的恒速运行的永磁电机设计差别不大，通常以额定转速下达到额定功率为设计依据，再考虑高风速风况下可能会因阵风时来不及变桨而导致短时超速和过载情况，在转速和功率方面适当留有一定的设计裕度即可。因为只要满足额定转速下达到额定功率时温升不超，那么在低转速下，转矩会成平方地减小，相应地定子电流也会成平方减小，功率会成三次方减小，因此电机的温升会更低，其它各种状态参数也都不会超出运行极限，无需在低速下进行各种限值的校核。 永磁电机的固有参数主要包括反电势E₀、直轴电感Ld和交轴电感Lq。 ① 反电势E₀的设计。主要考虑以下两个因素：一是在短时超速时其值不得超过变频器功率器件的耐压；二是充分考虑额定运行时的功率因数不能过低。设计时应使发电机在额定状态下端电压刚好达到额定电压，功率因数不低于0.9(0.9～0.95)为宜，这样就反推出额定转速下反电势应为(0.9～0.95)Un为宜。按上述初步确定反电势后，还需要在最高工作转速下校核反电势是否超过变频器耐压。 ② 交轴电感Lq的设计。由于永磁风力发电机通常采用Id=0控制，因此交轴电感Lq的大小与功率因数密切相关，设计应尽量减小Lq，Lq越小功率因数越高，这是与汽车驱动电机设计差别较大之处。一般设计永磁风力发电机交轴电感的标幺值Lq*=0.312～0.436为宜。 ③ 直轴电感Ld的设计。通常永磁风力发电机的Ld和Lq相当，可参照Lq的范围来设计Ld。从永磁风力发电机的短路电流和短路转矩角度考虑，宜尽量使Ld大一些较好，但考虑到由于直轴磁路必然要经过穿越磁钢的厚度，想增大Ld也是比较困难的，另外Ld的增大通常会导致漏磁的增大，因此建议统筹权衡材料的利用率和增大Ld之间的利弊，Ld的取值范围按Lq来设计即可，如果在材料利用率可接受的情况下，可尽量增大Ld。 本期从风力发电应用场合分析了永磁风力发电机的工作特性，以此为依据，介绍了永磁风力发电机的设计特点，其实这些设计特点除适用于永磁风力发电机外，也适用于驱动风机、泵类负载的永磁电机。以上的分析和建议仅供从事风力发电机设计的相关人员参考，不妥之处欢迎指正。