摘要：结合风力发电的运行成本，对电磁的结构进行科学地设计，是大功率直驱式风力发电机的重要研究课题。基于此，本文对六种比较典型的DDPM-WG展开了电磁结构与特点的分析。有利于对大功率直驱永磁风力的发电机不断地优化电磁的结构。
关键词:直驱；永磁风力发电机；电磁结构；分类；比较标准
直驱永磁的风力发电机得到了相关人士的认可。尤其在运行、发电效率、维修成本具有较大的优点。相比带有齿轮的发电机更加可靠。然而，大功率的直驱式风力发电机中，直驱永磁的发电机一般在低速状态下安全运行，这样，发电机会存在较大的磁路气隙的直径，切向力也会很高，导致发电机整体的重量大、体积庞大，增加了企业的研制成本。所以，探讨易于加工、维修的直驱发电机永磁风力发电机具有重要的现实意义。
一、大功率直驱永磁风力发电机的特征
空气动力学和风涡轮机的稳态功率可知：机械的转换功率大，则风涡轮的叶片也越大，随之叶尖速也会变大。然而，不断增强的叶尖速会产生噪声污染，其数值一般受到相应的局限。这样，其额定的转速也会改变。实际上，对于大功率的风力发电机，其风轮的叶片转速较低，一般在10-30 r/min。同时，这种直驱的发电机转矩也很大。对正常的风力发电系统的发电机，气隙的单位面积上力密度保持在25-50 kN/m2区间。大功率风力直驱发电机的体积随功率的增大而增大，重量也会增大。总之，大功率直驱永磁风力发电机是一个低速、大转矩、体积更大、重量更重的发电机，从而导致了其制造、运输和安装的成本很高。
二、直驱永磁风力发电机电磁结构的分类方法
为了减少直驱风力发电机的体积和重量，选用永磁同步电机就是一个很好的措施.由于永磁体的形状、大小尺寸、空间摆放的位置以及方向具有多种灵活的组合，使其电磁的结构呈现多样化特点。本文仅对四种最具代表性的磁同步式的电机展开分析。
（一）气隙磁通的划分
气隙磁通一般可以分为两种类型。即轴向、径向的气隙磁通。气隙作为电机分离转子、定子的必备方式。它与转子构成一个界面，其中的法矢量与转子的转动轴线垂直方向的气隙里的磁通，即为径向的气隙磁通。而和转子转动轴线平行方向的气隙里的磁通，即为轴向的气隙磁通。
（二）定子磁通的划分
定子的磁通大体有两种：纵向、横向的定子磁通。定子的铁轭承载围绕定子线圈的闭合性磁通，可以在线圈内部生成一定的感应电动势。其中，与转子运动大体平行的定子磁通，即为纵向的定子磁通。而与转子运动方向垂直的即为横向的定子磁通。对于横向定子磁通的电机，磁极节的距值波动不能对装有铜线的齿槽空间构成影响。
（三）永磁体的安装模式
永磁体可以分为表面、聚磁两种安装方式。通常皆安在转子的铁芯，其中，磁通方向与气隙的法向矢量平行的，属于表面安装。磁通方向与气隙矢量垂直的，属于聚磁安装。
（四）定子铜线的支架
定子的铜线支架类型主要有两种，即有槽、无槽定子。定子的钢叠片或有槽齿，或无槽齿。其中，在有槽齿的定子里，定子的铜线被安设于气隙里，磁通会穿过很厚的气隙，使得电机永磁体较厚，同时，空载的气隙磁通的密度很低，这就是无槽结构。无槽定子精简了电机的加工流程。而且，无槽定子的电机产生的铁损也很小。由于槽齿具有一定的聚磁性能。使得很多磁通皆通过了槽齿，而槽齿里的磁通密度与铁损非常高。因此，无槽定子的铜线支架更适用于高频率的电机运行。在应用低速直驱的风力发电机的时候，可以忽略有槽定子电机里的槽齿铁损。而无槽定子的缺陷在于当定子的磁通穿入定子线圈过程中可能增加铜的损耗，在空载的情况下也难以避免。
上述四种分类方式有机地组合，能够将永磁同步的电机划分十六种结构，可是，唯有一半的结构获得了相关学者的认可。并列入设计直驱永磁发电机的电磁结构的设计范围。经过分析，总结了六种常见类型。
三、六种发电机的电磁结构及其特点
（一）传统的永磁同步电机
如图所示：一个每磁极，每相有一个齿槽的三相定子的线圈，各齿槽里安装两根导线，属于上下层分布的结构。分析内定子、外转子的永磁同步的电机构造可知，这类传统的电机易于和风涡轮机的叶片直驱相连，多对磁极、永磁体易于散热，且永磁体具有较强的抗高温、退磁的优势。
（二）永磁体聚磁安设的传统永磁的同步电机
如图：此径向的气隙、纵向的定子磁通、定子齿槽、转子的永磁体均应用CFC的电机构造。这种永磁的同步电机中，气隙的磁通具有较大的密度，可以超过永磁体的剩磁密度。这样，可以试图将铁氧的永磁体取代稀土的永磁体。 结构优势：凸极的产生可以生成一个阻力矩，且扩展弱化的磁场后，用来扩大电动机的转动速度。缺陷：弱化磁场是否适用于大功率直驱风力的发电机尚存在较大的分歧。因为存在较大的转矩，永磁体的防止脱落的性能依然具体研究价值。
（三）有槽轴向的永磁电机
如图：未介绍这类电机的定子有槽、轴向的气隙磁通、表面永磁体、纵向的定子磁通的具体结构。很多学者提出了这类电机的结构十分紧凑。在确定的外径、转矩级别的情况下，此电机比以往的永磁电机要短数倍。如果应用中需要结构更加紧凑，可以考虑此种电机。然而，制造起来较难，主要在于定子的铁芯的钢片一定要叠压于与转子平行运行的平面中，并且与转子的转动轴线对称。这是一个技术难题。
（四）TORUS电机
如图：这是一种纵向定子的磁通、轴向的气隙磁通、转子表面装有永磁体、无槽定子的结构。两侧有两个碟状的转子，夹有一个环状的绕线定子，每碟状的转子的永磁体依照S-N-S-N…的次序进行排列。这类电机的加工相对简单。结构缺陷：其一，气隙的间隔较大，永磁体较厚，成本高；其二，定子的内环半径比平均值小，影响了铜线的密度。其三，贴近内环的铜线切线的速度较慢，电动势低，与外环的铜线拥有相等的消耗。
（五）永磁体的表面安设横向磁通的电机
如图所示：电机磁极的节距可以缩小至1-2 厘米。让电流拥有较大的提升空间。转子的磁极只有50%的磁通在定子的线圈里生成电动势。面向定子铁芯的永磁体形成了绕着定子线圈的磁通，其他的定子铁芯，永磁体借助空气对磁通进行交换，形成了定子线圈的无效磁通。若表面的永磁电机的磁极的节距非常小，电流的增大或许可以弥补。由于短磁极的节距与转子安有的永磁体使气隙变厚。所以，电枢反应的边缘效应增加。有些电枢的磁通在磁极面的外侧泄漏，且永磁体的磁通大多未进入定子的铁芯里。然而，漏磁通会指向附近的磁极。这样，降低了定子铁芯里的磁通量，影响了空载电压的应用。可以将铁芯设计成U型。
（六）永磁体聚磁设置的横向磁通的电机
如图所示：一种径向/轴向的气隙磁通，其转子的永磁体聚磁安装、有槽定子、横向定子磁通的整体结构。结构优点：相比于表面设置横向的磁通电机，转子的永磁体应用导磁的安装结构有效地避免了附近磁极中间的漏磁问题。并且，永磁体的大小具有可调性，无需增添磁极的节距，即可将永磁体的宽度增加。
结束语：
总之，永磁体的安装具有较大的灵活性。多种多样的安装方式导致直驱永磁的风力发电机的电磁结构存在巨大差异。本文分析了目前典型的发电机的电磁结构及其特点，依据相应的标准进行系统地对比、分析，有利于设计结构更加科学的大功率直驱永磁风力发电机。
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论文作者:尤佰朋,
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/11
标签：永磁论文; 定子论文; 转子论文; 电机论文; 结构论文; 磁极论文; 发电机论文; 《电力设备》2018年第18期论文;