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1、直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述本文档下载自文档下载网，内容可能不完整，您可以复制以下网址继续阅读或下载：http:/ ew微特电机年第 11期直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述收稿日期: 2005 - 10 - 24改稿日期: 2005 - 11 - 23直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述郭冰(中国船舶重工集团第 701研究所,上海 201102)摘要:介绍了国内外直驱变速恒频永磁风力发电机的发展应用状况,对发电机的结构、特点和转子磁钢进行了描述,针对它的特殊结构对其电磁系统设计方法及电力电子变换器进行了研究,最后指出了直驱变速恒频永磁风力发电机的发展趋势和研究方向,以期推进我
2、国风力发电机的研究和应用。关键词:风力发电机;直驱;永磁;电磁系统;变速恒频中图分类号: TM 315文献标识码: A 文章编号: 1004 - 7018( 2007) 11 - 0056 - 04iew on Developm en t of D irect - dr iven Permanen tagnet W ind - power Generator s and Design M ethodsB ing(CSIC No. 701 Research &Development Institute, Shanghai 201102, China)bstract: In this paper,
3、 the development status of direct - driven variable - speed constant - frequency permanent mag2- power generators around the worldwas introduced. The structure, feature and the rotormagnet stehttp:/ of the generatorbeen described. Based on the special structure, the designmethods on electromagnetic
4、system and power electronic con2were studied. Finally, the future trends and emphases of direct - driven variable - speed constant - frequency perma2magnetwind - power generators were presented in order to push forward the study and application of wind - power gen2in our country.words:wind - power g
5、enerator; direct - driven; permanent magnet; electromagnetic system; variable - speed con2- frequency引言风能作为一种洁净的可再生能源,随着技术逐步成熟,今后的运行成本会低于水电和火电,发展前景非常广阔。目前的风力发电机单机容量不断增大, 变速恒频风力机逐渐占据了主导地位。所谓的直驱变速恒频永磁风力发电机,就是其取消了沉重的增速齿轮箱,发电机轴直接连接到风机轴上,转子的转速随风速而改变,其交流电的频率也随之变化,经过置于地面的大功率电力电子变换器,将频率不定的交流电整流成直流电,再逆变成与电网同
6、频率的交流电输出。由于其被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率,提高了捕捉风能的效率。同时,由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况,可使风机的支撑结构减轻,基础等费用也可降低,运行维护费用也较低。目前,世界各国都在直驱变速恒频永磁风力发电机的理http:/ 1国内外直驱变速恒频永磁风力发电机发展应用状况年美国纽约州的一家研究机构设计出一种新型可变磁阻发电机,用风力发动机中的磁性装置取代了机械的齿轮箱。该设计的特点在于大量的极有一个比 6个极造价还便宜的卷绕结构,可变磁阻电机的极结构能够承受各个方向操作而不需要提高造价。2000年加拿大 M. eng. M. Dubois
7、博士提出风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间对部分工作负载的效率提高不利,而且较易受损耗,若使? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/微特电机2007年第 11期 综述calrevi ew直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱,并对直驱式低速旋转电机应用于风力发电机的一些问题进行了研究。市场上直到 1997年才出现了兼具无齿轮、变速变http:/ MW, 并由德国于 1992 年开始制造。年瑞典 ABB公司研
8、制成功了 3 MW的巨型可变速风力发电机组,包括了永磁式转子结构的高压风力发电机 Windformer,容量 3 MW、高约 70 m、风扇直径约 90 m。2003年在 Okinawa电力公司开始运行的 MWT - S2000型风力机是日本三菱重工首度完全自行制造的 2 MW级风机,采用了小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机和新型轻质的叶片。可以发现,直驱式无齿轮风力发电机始于 20多年前,却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣,将该技术积极应用于产品推向风力发电市场,德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的直驱式无齿轮同步发电机被安装在世界最大的挪威风力发电场
9、, 据称效率达% 1 。作为一个新兴行业,风电业在我国起步并不算晚,但由于诸多原因, 风力发电机的国产化非常缓慢。1996年我国制订乘风计划,旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率, 2001年国家计划能源技术领域后续能源技术主题“兆瓦级风力发电机组及其关键部件研制”课题开始实施。年 4月 24日,我国第一台国产兆瓦级风力发电机在乌鲁木齐市达坂城风力发电场完成吊装,投入运行。这台 1. 2 MW直驱式永磁风力发电机是我国第一台整机设计、制造并具有自主知识产权的兆瓦级风机,它的运行意味着我国风机设计制造能力已达到世界先进水平。虽然成绩显著,但我们国内的风机市场占有率并不高,而且现在世界上
10、多数风电发达的国家都建有国家投资的研发服务机构,专门为市场中的企业发展提供技术和政策支持,如丹麦的国家实验室 ( Risoe ) 、德国的风能研究所(DWEI)等。. 2直驱变速恒频永磁风力发电机的性能特点直驱变速恒频永磁风力发电机,转子为永磁式结构,无需外部提供励磁电源,提高了效率。其变http:/ DC - AC变流装置可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节,谐波分量低,具有很强的低电压穿越能力,以适应电网扰动,并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。直驱变速恒频永磁风力发电机特殊结构及其电磁系统设计方法. 1发电机的特殊结构及特点目前,无齿轮箱直驱变速恒频永
11、磁风力发电机的定子结构与电磁式同步发电机基本相同,而转子的结构形式则有所不同,永磁同步发电机以永久磁铁取代了电磁式同步发电机的电励磁绕组,简化了发电机的结构。其转子有多种结构形式,通常按永磁体磁化方向和转子旋转方向的相互关系,分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种。在实际的应用中,因无齿轮驱动风力发电机转速低,故采用径向磁化结构。径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近,漏磁系数较切向结构小,径向磁化结构中的稀土永磁体工作于串联状态,只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通,因此气隙磁密相对较低 2 。永磁发电机的性能在很大程度上取决于永磁材料的性能。在进行永磁材料h
12、ttp:/ 为获得高功率密度,永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁感应强度、矫顽力及最大磁能积;(2) 永磁材料应具有较好的磁性能,包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。尤其是无齿轮箱直驱变速恒频永磁风力发电机的损耗较大,温升较高, 因此应选择工作温度点高的永磁材料,使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分;(3) 经济性要好,价格适宜。通过对以上几个方面的分析可以看出,钕铁硼(NdFeB)永磁材料是较好的选择。钕铁硼永磁材料磁性能高于稀土钴永磁,是目前磁性能最高的永磁? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing Ho
13、use. All rights reserved. http:/综述calrevi ew微特电机年第 11期直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述材料,而且不含战略物资钴,价格也比稀土钴便宜得多。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低,一般为 310410左右,温度系数较高,在高温下使用时磁损失较大。由于它含有大量的铁和钕,容易锈蚀,必须对其表面进行涂层处理 2 。永磁风力发电机一般采用外转子式结构,它具有许多优点 3 ,如:(1) 叶片能方便地装设在转子毂表面前方;(2) 转子周长变大,可容许更多极数的设计方式;(3) 由于离心力作用在磁铁与转子硅钢片之黏着处,提高了转子的可靠度;(4) 在
14、自然风流下散热效果比内转子式好。. 2发电机的电磁设计. 2. http:/ 16个基本变量来进行电机的设计,如表 1所示。发电机的电磁设计可以完全用这 16个基本变量和磁钢的材料 (前面已讨论过)来确定,所以在计算电机的参数前我们必须对这些变量作一个数值上的设定 4 。表 1基本变量设定的变量 对应的基本变量定子外径 d 定子外径 d定子铁心长度 l 定子铁心长度 l槽高 h槽高 h极距极距定子绕组中电流密度 J定子绕组中电流密度 J空载气隙磁通密度 B磁钢高度 h空载定子齿磁通密度 B定子齿距 b空载定子轭磁通密度 B定子轭高度 h空载转子轭磁通密度 B转子轭高度 h槽楔高度 h槽楔高度
15、h绕组高度 (包括绝缘) h绕组高度 (包括绝缘) h绝缘厚度 h绝缘厚度 h槽口宽度 b槽口宽度 b气隙长度 气隙长度每极每相槽数 q 槽距磁钢宽度 b磁钢宽度 b注:多数风力发电机额定功率在 500 kW以上,槽型应选用开口槽。. 2. 2发电机电磁设计中充磁长度 h的计算(1) 定子轭厚度 h、转子轭厚度 h、定子齿宽分别为:=B:/ l铁心有效长度, l= l 2;硅钢片有效长度, l= k;硅钢片的叠压系数。(2) 从定子和转子铁心材料的磁化曲线 H(B )和 H(B )可以算出铁心的磁动势。在定子轭中两极间磁通量所需的磁动势为:= c ( h 0. 5h)(B)式中: c是考虑到定
16、子中磁场场强的变化所引进的系数, 对于定子轭来说, c =0. 5。( 3) 对于齿壁不平行的矩形槽, 沿槽高 h上各点齿的宽度是变化的,因此齿磁密 B和相应的磁场强度 H也是变化的。在齿不太饱和以及齿宽沿其高度上的变化不大时,可采用近似的简便公式来计算,即采用“离齿最狭部分齿高处”的那个截面中的齿磁通密度 B作为计算用的齿磁密, 查出相应的齿磁场强度 H,而 V=H,对开口槽 l= h。(4) 转子轭中的磁通势为:= c ( h 0. 5h)(B:/ c =0. 5。因为此表达式中包括有 h, 可以用迭代法求出磁钢高度 h。上式中所需的磁钢高度 h可以用 2来替换, 但会对 V的计算造成 1
17、%的误差。(5) 磁钢和空气隙的磁动势降分别为:= h=式中:是磁钢的相对磁导率,是空气的磁导率。(6) 两极间磁路的磁动势的总和为 0 (如图 1图 1永磁发电机的横截面中 sm rg回路) ,即:HVV2V2V2V= 0式中: H是磁钢的矫顽力。(7) 所需磁钢的高度 (即充磁长度)可以从下式中计算 4 :? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/微特电机2007年第 11期 综述calrevi ew直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述=. 5V 0
18、. 5VVhttp:/ 2、图 3所示。详细内容请参考文献 5 。结语风力发电为现今相当受重视之再生能源,虽然其发电成本仍高于其他发电方式,然而其所带来之有形与无形效益却相当大。故如能提高风力发电机组及变频器的与技术,将使发电成本降得更低,且更具竞争力。发电机有外转子和内转子两种结构形式,但实际中因考虑到运输、安装成本及市场推广等因素,内转子结构有着更大的可推广性。而且,我们还可以在内转子方案的基础上分析再降低频率,缩小转子直径的可行性。当然,在自然风流下,哪种结构具有更好的散热效果,还必须进行发电机温度场及风路的一系列分析与计算。参考文献 1 张蓓文. 国外直驱式风力发电机技术应用 EB /
19、OL . http: / /. istis. cn/ list/ list. asp? id =1978. 2 唐任远. 现代永磁电机理论与设计 M. 北京:机械工业出版社, 1997. 3 Chen JY, Nayar CV, Xu L. Design and Finite - Elenent Analysisan Outer - Rotor Permanent - Magnet Generator for DirectlyWind Turbineshttp:/ J. IEEE Transaction onMagnetics, 2000,( 5) : 3802 - 3809. 4 Ander
20、s Grauers. Design of Direct - Driven Permanent magnet Gen2forWind Turbines D . Goteborg, Sweeden, 1996. 5 Anders Grauers. Synchronous generator and frequency converter inturbine applications: system design and efficiency D . Gote2, Sweeden, 1994.作者简介:郭冰 ( 1981 - ) , 男, 硕士生, 主要研究方向为风力发电机设计及电磁场数值计算。为进
21、一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读者服务卡上圈上数字代码:有价值,请圈 35;没有价值,请圈 36。(上接第 31页)图 6单手指阻抗力矩控制实验结语本文介绍了步进电动机专用芯片 TMC236 和的特点和工作原理,结合 DSP设计了仿人形机器人手的控制系统。专用芯片的使用减小了电路板的体积,增加了系统的可靠性。系统实现了步进电动机的闭环位置控制和手指阻抗力矩控制。实验证明该系统运行稳定可靠,应用于仿人型机器人手中控制效果良好。参考文献 1 Pons J L, Rocon E, Ceres R. The MANUS - HAND dextrous robot2upper limb prost
22、hesis J . mechanical and manipulation as2, Autonomous Robots, 2004, 16: 143 - 163. 2 TRINAMICMicrochips GmbH Incorporated. TMC42http:/ - DatasheetM. TRINAMIC公司, 2003: 1 - 53. 3 TRINAMICMicrochips GmbH Incorporated. TMC236 - DatasheetM. TRINAMIC公司, 2003: 1 - 22. 4 Hogan N. Impedance control of roboti
23、c manipulator: An approach to: Part - Theory; Part- Implementation; Part Applications J. Dynamic Systems, Measurement and Control, 107 ( 1) : 1 - 24.作者简介:赵大威 ( 1974 - ) 男,博士研究生,研究方向是仿人机器人手。为进一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读者服务卡上圈上数字代码:有价值,请圈 19;没有价值,请圈 20。? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/文档下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，word文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文档下载 http:/