三相永磁同步電機(jī)—機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩

機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子與機(jī)座等部件之間的軸承配合、密封及潤(rùn)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(jì)算非常復(fù)雜，但在起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩中所占比例非常小。當(dāng)永磁體相對(duì)于電樞鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)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(chǎng)滯后于永磁磁場(chǎng)一個(gè)角度，兩者相互所用產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩。磁滯轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩中所占比例也非常小。起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩的主要部分為齒槽轉(zhuǎn)矩，要降低起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩，必須降低齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)理和削弱方法詳見(jiàn)第五章。由于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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?jǐn)?shù)槽。

( 1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮冷卻與散熱。

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常安裝在距離地面較高的機(jī)艙內(nèi)，會(huì)因散熱不暢而導(dǎo)致電機(jī)部件出現(xiàn)故障，維護(hù)和保養(yǎng)非常不便。另外，永磁材料對(duì)溫度變化比較敏感，溫度過(guò)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。進(jìn)行兆瓦級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的冷卻設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的效率、尺寸和工藝實(shí)現(xiàn)的難度等。鑒于直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)本身的特點(diǎn)，以及整體經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用風(fēng)冷和水冷技術(shù)。

風(fēng)冷風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資與運(yùn)行費(fèi)用較低、便于管理與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但其冷卻效果受氣溫影響較大，冷卻能力較弱。風(fēng)冷分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷，功率較小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只需通過(guò)自然通風(fēng)就可以達(dá)到冷卻要求。對(duì)于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要考慮兩個(gè)方面：一是電機(jī)外徑較大，考慮在扼部加裝離心式風(fēng)扇以及利用轉(zhuǎn)子的“扇風(fēng)”作用，促進(jìn)冷卻氣流的流動(dòng)；二是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)體外就是促使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的自然風(fēng)，且風(fēng)速較大，可以考慮利用自然風(fēng)來(lái)冷卻電機(jī)。

水冷是風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的另一種冷卻方式，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，其冷卻效果比風(fēng)冷要好。采用水冷的發(fā)電機(jī)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(fèi)用，卻大大提高了發(fā)電機(jī)的冷卻效果。同時(shí)由于機(jī)艙可以設(shè)計(jì)成密封型，避免了風(fēng)沙雨水的侵人，給機(jī)組創(chuàng)造了潔凈的工作環(huán)境，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

一、直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

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

( 1）無(wú)齒輪增速箱，消除了齒輪箱滲漏油、磨損等隱患，系統(tǒng)維護(hù)工作量小，運(yùn)行成本低，進(jìn)人機(jī)艙維護(hù)方便。

( 2）噪聲小，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

( 3）損耗小，系統(tǒng)效率高。

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

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

( 6）機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、輪毅采用正壓技術(shù)，可防止潮濕、鹽霧、沙塵等進(jìn)人。

( 7）采用全功率變流器，可根據(jù)要求進(jìn)行有功功率、無(wú)功功率及頻率輸出的任意調(diào)節(jié)，諧波含量低，具有很強(qiáng)的低電壓穿越能力以適應(yīng)電網(wǎng)擾動(dòng)，并網(wǎng)特性完全滿足目前國(guó)際上最新風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

二、直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的問(wèn)題

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在以下間題：

( 1）電機(jī)直徑大、重量大，需要考慮運(yùn)輸、安裝等間題。

( 2）永磁體退磁問(wèn)題。

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

( 4）軸承和振動(dòng)問(wèn)題。

( 5）為避免電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)的沖擊，需要考慮保護(hù)問(wèn)題。

三、典型的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

由于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有噪聲低、壽命長(zhǎng)、體積小、運(yùn)行維護(hù)成本低、低風(fēng)速時(shí)效率高等多種優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了風(fēng)力發(fā)電的效益。世界各國(guó)的學(xué)者和風(fēng)力發(fā)電企業(yè)針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)了一批直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中荷蘭Zephyros公司的272直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖9一12所示，主要用于海上風(fēng)力發(fā)電，具體性能參數(shù)見(jiàn)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(shí)的效率曲線。圖9一14為不同風(fēng)速時(shí)的輸出功率。該發(fā)電機(jī)組在安裝之后的1 . 5年內(nèi)，工作了700oh，發(fā)電4500MW h。