1引言

人們曾使用過直流發(fā)電機、電磁式交流發(fā)電機、爪極式發(fā)電機、磁阻式發(fā)電機以及感應(yīng)子式發(fā)電機等用于小型風能發(fā)電裝置。隨著永磁材料的技術(shù)發(fā)展，永磁材料磁能積大大提高，目前主要使用永磁發(fā)電機。該類電機不論從電氣性能上，還是在安全可靠性上講，都優(yōu)于前幾類發(fā)電機。由于該類發(fā)電機的應(yīng)用場所與一般發(fā)電機不同，其技術(shù)要求有其特殊性，在性能上又必須與風力機有良好的匹配，因此，就該類發(fā)電機中的幾個問題進行一些分析、探討。

2技術(shù)要求

圖1為小型風能發(fā)電裝置的原理圖，風驅(qū)動風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)為機械能，風輪帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，整流后輸出。該類發(fā)電機的設(shè)計，首先要選擇發(fā)電機的型式和整流線路；確定計算的整流功率，額定功率、電壓、轉(zhuǎn)速等。對它的主要技術(shù)要求為：

（1）額定輸出功率PN（W）；（2）額定輸出電壓（直流）UN（V）；（3）額定轉(zhuǎn)速NN（r／min）;（4）發(fā)電機效率η（）;（5）起動阻轉(zhuǎn)矩TN（N.m）；（6）在65額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的空載電壓應(yīng)不低于額定電壓；（7）在150額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機在額定電壓下應(yīng)能過載運行2min；（8）發(fā)電機在空載情況下，應(yīng)能承受2倍額定轉(zhuǎn)速，歷時2min，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)不發(fā)生損壞及有害變形；（9）發(fā)電機應(yīng)能防雨雪，防沙及防雷。

除此之外，還應(yīng)符合一般電機的絕緣、耐壓、機械強度等技術(shù)要求。

技術(shù)要求中（5）、（6）、（7）、（8）是風力發(fā)電機的特殊要求，下面將分別進行分析。

3電磁負荷的選擇

近代電機制造的實踐和電機長期運行的經(jīng)驗大致給出了設(shè)計電機的線負荷As和磁負荷Bδ的范圍。當As和Bδ的乘積相同時，則As和Bδ之間的比值決定著發(fā)電機的不同參數(shù)，力能指標和質(zhì)量。當Bδ大而As小時發(fā)電機為富鐵型，而當As大而Bδ小時發(fā)電機為富銅型。

電機電負荷的大小以電機繞組的電流密度j（A／mm2）及線負荷As（A/cm）來衡量，電負荷越大，銅損越大。對于小功率的風力發(fā)電機，一般為低壓大電流。特別是1kW以下發(fā)電機大多采用24、36V或48V（整流后的直流），這種電機的額定電流較大。對于1至10kW的小功率發(fā)電機，也不能取過高的額定輸出電壓。因為該類發(fā)電機主要采用蓄電池儲能，電壓高，必須用更多的蓄電池，提高了整機的成本，一般客戶難以接受。總之，小功率風力發(fā)電機線負荷比較高，屬富銅型發(fā)電機，電機的銅損大，約占電機總損耗的70左右，這是客觀情況。此外，發(fā)電機的輸出功率是隨風速增加而增加的，如圖2所示。發(fā)電機功率提高，發(fā)熱增加，但隨著風速增加，散熱條件大大改善，因此，對于該類發(fā)電機不應(yīng)格守一般電機選取As的標準，可選取較高As值，既需要又允許。例如一般小功率電機As為60至80A/cm；而該類發(fā)電機的As可取為100至150A/cm；而采用高效噴油冷卻的航空發(fā)電機As可達300A／cm左右。因此As的選擇要綜合考慮電機損耗、效率、散熱和應(yīng)用場合，取得一合理數(shù)值。

磁負荷Bδ的選擇，可完全依照電機理論的一般原則，這里不再贅敘。

4定子

4.1定子齒槽

基于該類發(fā)電機的電負荷較高，銅損大，在設(shè)計發(fā)電機時，在保證足夠的機械強度及磁通密度允許的情況下，應(yīng)盡量減少齒寬和軛厚，以擴大槽面積，增大定子繞組導(dǎo)線面積，降低銅耗，提高發(fā)電機的效率。這一點不是每個廠家都考慮到的。往往由于定子繞組導(dǎo)線較細，在發(fā)電機初始運行時可以達到設(shè)計要求。發(fā)電機運行2至3小時后，溫升急驟上升，輸出功率也迅速下降，從而使額定輸出功率達不到要求。

4.2定子繞組

小功率風力發(fā)電機的技術(shù)要求（5）中引入了發(fā)電機起動阻轉(zhuǎn)矩的概念，這是因為小型風能發(fā)電裝置一般轉(zhuǎn)速在幾十至幾百轉(zhuǎn)，為了減少環(huán)節(jié)，降低成本和提高可靠性，該裝置的風輪直接耦合在發(fā)電機軸上。這就要求盡量減小由發(fā)電機齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩，使得風輪在風速較低時（2至3m/s），能夠迅速起動，盡快發(fā)電。為此，國標GB10760.1－89提出了要求，見下表。

功率（W）501002003005001000最大起動阻轉(zhuǎn)矩（Nm）0.200.300.350.501.201.50

從電機的理論上講，采用定子斜槽，轉(zhuǎn)子斜極及定子分數(shù)槽繞組都可以降低齒槽效應(yīng)引起的阻轉(zhuǎn)矩，滿足技術(shù)要求。但是實踐證明分數(shù)槽繞組是降低阻轉(zhuǎn)矩的最有效辦法。

采用定子斜槽，工藝上比較容易實現(xiàn)，但效果不明顯，而且如果斜槽距離太大，發(fā)電機的電氣性能會受影響；采用轉(zhuǎn)子斜極，將轉(zhuǎn)子磁鋼、磁極扭到合理的尺寸，工藝上難度較大，而效果也不明顯；因此，大多采用分數(shù)槽繞組。

分數(shù)槽繞組：

每極每相槽數(shù)q=Zs/2mp=ac/d

每極槽數(shù)Q=Zs/2p=AC/D

式中：Zs為定子槽數(shù)；m不繞組相數(shù)；p為發(fā)電機極對數(shù)；A、a為整數(shù)；c/d、C/D為不可約分的分數(shù)。

理論和實踐證明，D越大，發(fā)電機的起動阻轉(zhuǎn)矩越小［5］。此外，隨著q值的增加，負序阻抗減小，漏抗降低，這是我們希望的。但是同時，過份增大q值，發(fā)電機抑制高次諧波的能力降低，又是該避免的。因此，只要滿足國標規(guī)定的阻轉(zhuǎn)矩大小要求，不是q值越大越好。

我們計算和實際測試了幾種發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，從中可以判定齒極配合的情況，見圖3。

5轉(zhuǎn)子

小型風能發(fā)電裝置的風輪轉(zhuǎn)速每分鐘為幾十至幾百轉(zhuǎn)，其發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合在風輪上。風輪轉(zhuǎn)速決定了發(fā)電機為多極低速發(fā)電機；轉(zhuǎn)子一般采用鐵氧體和釹鐵硼磁鋼，切向結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)必須牢固，能經(jīng)受風速急驟變化的沖擊，而不發(fā)生破壞、損傷和變形。這正如技術(shù)要求（7）、（8）中明確指出的。轉(zhuǎn)子的問題將專文討論。

6特性

6.1直流輸出電壓

該發(fā)電機輸出交流電壓整流后向蓄電池充電。國標規(guī)定，其整流后的電壓應(yīng)比標準12V蓄電池高2V，即發(fā)電機輸出電壓為14V，28V，42V，56V……。但實踐證明，該規(guī)定對于風力資源非常豐富的地區(qū)是可行的，而對于風力資源一般，但可以利用的地區(qū)是偏低的，有人曾在江蘇內(nèi)湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖地區(qū)，用輸出42V（直流）的發(fā)電機接在二只串聯(lián)蓄電池上（24V）效果很好，并沒有出現(xiàn)嚴重問題。因此，設(shè)計發(fā)電機時，應(yīng)該了解風力機使用地區(qū)的風源情況，一般應(yīng)高于4V以上，以便充分利用可貴的風力資源。

6.2輸出特性

輸出功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系是一般發(fā)電機不要求的，而對于這類發(fā)電機是重要的。圖2為DYF－600型發(fā)電機的實測特性。由于特定的要求，風力機對發(fā)電機要求在低風速時能夠發(fā)電，而在額定風速以上輸出特性盡量軟一些。因此設(shè)計發(fā)電機時應(yīng)盡量使磁路飽合些，不致因風力機的經(jīng)常超速，而發(fā)電機輸出功率急驟上升，造成對充電器、逆變器的過大沖擊和發(fā)電機的過熱，從而損壞。

6.3風力機特性與發(fā)電機輸出特性的匹配

（1）風力機起動后，要求發(fā)電機盡快發(fā)電，即在低風速范圍內(nèi)能捕獲風能。這正如技術(shù)要求（6）所要求的，發(fā)電機的起動阻轉(zhuǎn)矩盡量小些，使風力機盡早切入運轉(zhuǎn)。

（2）希望發(fā)電機P=f（n）在額定點前為二次拋物線關(guān)系，以利用發(fā)電機與風力機的匹配，獲取最佳風能。