1. 前 言

      近年因地球升溫問題嚴(yán)重，無CO2排放的自然能源的充分利用引人注目。作為自然能源，一般為太陽能與風(fēng)能。全世界都在興建風(fēng)力發(fā)電廠并不斷擴(kuò)大輸出功率，可望在今后的系統(tǒng)供電中發(fā)揮作用。在此背景下，“明電”公司開發(fā)了用于風(fēng)力發(fā)電的永磁發(fā)電機(jī)。2009年1號(hào)機(jī)組已制造出廠。本文闡述了PMG的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，并對(duì)開發(fā)中有關(guān)研討、驗(yàn)證的事項(xiàng)予以介紹。

      2. 風(fēng)力發(fā)電用PMG的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)圖1所示

      為開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電用PMG外觀，圖2為其結(jié)構(gòu)斷面，額定參數(shù)列于表1。本PMG因與風(fēng)輪直接連接，是與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一致的低速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的負(fù)荷重量由共用的一個(gè)軸承支撐，采用了這種單軸承的結(jié)構(gòu)。定子的鐵芯和線圈安裝在圓筒形的機(jī)座內(nèi)，機(jī)座的外表面設(shè)有冷卻風(fēng)扇，為外殼表面冷卻結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子是在圓筒形的輪輻表面裝有永磁鐵的單純結(jié)構(gòu)，因沒有勵(lì)磁線圈，故無需供轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流用的滑環(huán)和電刷，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。如上所述，本PMG因與風(fēng)輪直接連接，不設(shè)增速機(jī)構(gòu)，沒有機(jī)械噪音源的增速齒輪傳動(dòng)，故對(duì)降噪方面也是有利的。 圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用PMG外觀多磁極的三相PMG，與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一致的低速發(fā)電機(jī)，能與風(fēng)輪直接連接運(yùn)轉(zhuǎn)，故無需增速機(jī)構(gòu)。表1 風(fēng)力發(fā)電用PMG的額定參數(shù) 圖2 風(fēng)力PMG的結(jié)構(gòu)斷面圖 定子鐵芯和線圈配置在機(jī)座內(nèi)，永磁體安裝于轉(zhuǎn)子表面。是利用機(jī)座表面的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻的外殼冷卻結(jié)構(gòu)。

      3 PMG開發(fā)中的研討與驗(yàn)證

      3.1 磁鐵的選擇 (1)不可逆退磁本PMG采用了釹鐵硼(NdFeB)系的永磁體。永磁體的處理應(yīng)避免不允許的退磁現(xiàn)象。對(duì)于永磁體來說，有可逆的退磁和不可逆的退磁，特別是因風(fēng)力發(fā)電機(jī)是設(shè)置在塔桿上，在其運(yùn)行期間，不得出現(xiàn)不可逆的退磁現(xiàn)象。作為引起不可逆退磁的重要原因是:由于磁鐵暴露于高溫下導(dǎo)致的退磁以及由外部磁場(chǎng)導(dǎo)致的退磁。前者是在負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)內(nèi)部及磁鐵本身的溫度上升造成的;后者則是起因于短路事故時(shí)的短路電流引起反向磁場(chǎng)造成的。 (2)對(duì)退磁的討論與對(duì)策 PMG在短路事故時(shí)，要求具有充分的耐受強(qiáng)度，而且起因于短路電流的反向磁場(chǎng)不允許產(chǎn)生退磁。對(duì)于磁鐵的磁化特性來說，在某一磁場(chǎng)強(qiáng)度下存在急劇彎曲的拐點(diǎn)，這被稱之為居里點(diǎn)(即當(dāng)溫度高于此點(diǎn)時(shí)，順磁體的分子磁力消失)。當(dāng)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度超過這一居里點(diǎn)時(shí)，磁鐵則產(chǎn)生不可逆退磁。圖3所示PMG短路時(shí)的反磁場(chǎng)，是通過磁場(chǎng)分析求出。我們選用了高矯頑力的釹鐵硼磁體，即使帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的磁鐵溫度下產(chǎn)生短路，這種磁體具有的居里點(diǎn)也能克服反向磁場(chǎng)的退磁作用。 圖3 三相突發(fā)短路時(shí)的反磁場(chǎng)藉磁場(chǎng)分析求出瞬間短路時(shí)反向磁場(chǎng)的大小，是選定磁體的重要特性。

     3.2 PMG的特性計(jì)算藉助FEM(有限元法)磁場(chǎng)分析進(jìn)行了空載感應(yīng)電壓、三相短路電流、電感等PMG的特性計(jì)算。負(fù)載特性由式(1)～式(4)等值電路方程式求得。