《东方电机》2014年第1期51
在可再生能源中，风力发电是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一。风力发电不消耗矿产资源，发电过程中对环境没有破坏影响，在强调可持续发展、保护环境的今天，风电已经成为全球普遍欢迎的清洁能源。国际上风电技术的创新很快，一方面装机容量越来越大，另一方面不断采用新型机组结构形式和材料，最新主流技术为变桨变速恒频和无齿轮箱直驱技术。
目前世界上有多种型号的大型风电机组在商业化运行，大体可分为三种类型：第一种是直接并网定速异步风力发电技术，传统风力发电机系统多采用这种型式；第二种是变速恒频双馈风力发电技术，这是新一代风力发电系统种应用最广的机型；第三种为变速恒频直驱型风力发电技术，也称直驱永磁同步风力发电技术，
是第三代风力发电技术。
52
变流器
机侧整流
网侧逆变
主断路器
《东方电机》2014年第1期
组合箱式变压器
变流器控制器
10…35kV,f=50Hz
耦合变压器
中压开关柜
刹车
变浆控制器及速度编码器
同步电机
偏航系统
风机主控制器
图2无齿轮箱直驱全功率发电系统
直驱永磁同步风力发电技术采用的发电机为低速永磁同步发电机，且取消了风力机和发电机之间的可靠性差的齿轮箱。当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变流器将定子发出的变频变压的电能转换与电网频率幅值一致的稳定电能。发电机采用永磁体结构，无需外部励磁，没有电刷和滑环，简化了系统结构，提高了可靠性和发电效率，而且永磁结构比电励磁结构更适合做成多极低速结构，极距小、电机体积和质量相对较小，大大减少了系统体积重量和成本，提高了可靠性，同时，由于能量只从发电机流向电网，无需双向流动，因此功率变流器结构可以较为简单。该系统除可以实现变速恒频控制外，也可灵活实现有功、无功的解耦控制，而且发电机定子通过功率变流器连接电网，
具有更好的稳定性。
主要参数
1.5MW直驱永磁风力发电机主要参数如下：额定功率1650kW额定电压690V额定电流1580A相数3极对数40额定转速17.3r/m效率94.5%防护等级IP54绝缘等级F工作制S1(连续工作制
)磁场分布优化设计不同于常规能源，风能具有很强的随机性，大多数时间风力发电机只能够运行在低负荷水平。因此，对于优秀的电磁方案，不仅要合理优化分配额定负荷的磁势、磁势分布，还要对不同负荷水平下的磁场进行全面分析，达到成本与性能的合理匹配(见图3、图4)
。
磁路关键系数的有限元精确计算磁路系数（如气隙波形系数、漏磁系数、交直轴
《东方电机》2014年第1期53
产生齿谐波。齿谐波的存在不仅会使发电机的电
压波形畸变率增大，还会引起附加损耗的增加，效率下降。当电机采用整数槽方案，将会产生严重的一阶齿谐波。为削弱整数槽带来的齿谐波影响，提出了分段偏移磁极的方法，结合电磁场有限元仿真，并通过样机试验结果进行验证。
表1空载线电压谐波频谱表
谐波次数
优化前
谐波含量(%)
优化后1000.710.270.430.12
图
3
发电机空载运行时磁场分布
[1**********].960.455.42
2.18
图4发电机额定负载运行时磁力线分布
齿槽转矩优化
齿槽转矩是由永磁体与定子齿间作用力的切向分量所形成。齿槽转矩会带来振动和噪声，增大传动链疲劳效应，降低机组运行寿命。有针对性地采用斜极和短距等综合措施，在基本不增加电机材料成本的情况下，大幅降低齿槽转矩，优化电机性能。
故障工况下的瞬态分析
发电机在故障状态下的过渡过程，涉及到电机对故障的承受能力及疲劳损伤程度。采用场路耦合时步有限元法，充分考虑机械运动、材料非线性、转子涡流对瞬态过程的影响，提高电机运行寿命设计的准确度，三相突然短路故障冲击电流曲线见图5。
电枢反应系数等）的准确度很大程度上决定了设计
精度和电机的性能、成本。精确的磁路参数是设计先进的必要条件。采用有限元计算，可以得到高精度的磁路参数，再将其应用于磁路计算中，便能兼顾设计精度与计算速度，非常适用于在新机型开发时间紧的情况下，快速准确地开发出性能优良的电
磁方案。
电抗参数的精确计算
为实现风力发电机的矢量控制，需要提供准确
的直轴电抗参数q。永磁电机的磁路与常规电励磁电机有一定不同，在负载运行时，这两个参数又受到气隙磁势、定转子漏磁在交直轴之间耦合交叉的影响，常规解析方法采用了相当程度的简化，误差较大，需对这种特殊磁路带来的影响进行具体分析。研究中提出了更加精确的电流—磁链回线法，用参数表示的回线去逼近有限元计算的回线，特别适合在电机呈不均匀饱和状
态下高精度求解。
电势齿谐波优化
电机定子槽开口引起的气隙磁导不均匀，因此
0.005E3
-4.999E3
0.51
图5三相突然短路故障冲击电流曲线
54
永磁体防失磁分析
永磁体是一种非线性材料。在一定温度下，当受到一个较强的反向磁场作用，使永磁体工作点落在退磁曲线的拐点以下时，永磁体便会发生不可逆退磁。引起永磁体发生不可逆退磁的因素与永磁
《东方电机》2014年第1期
体材料、磁化方向长度、温度和外部故障磁场有关
[2]
。通过三相短路时永磁体去磁磁场的计算与分析，合理设计永磁体的厚度，达到在成本与安全性的一个平衡点，永磁体工作点的选取见图6，三相突然短路故障永磁体磁场分布见图7。
图6永磁体工作点的选取
图7
三相突然短路故障永磁体磁场分布
永磁体涡流损耗分析利用时步有限元法，对永磁体在空载、负载和故障工况时的涡流损耗分布进行仿真计算，得出永磁体在不同运行工况下涡流损耗的变化规律，并通过合理分块、分段、调整极槽配合等技术手段，有效降低永磁体涡流损耗，降低永磁体运行温度，确保
发电机具有优秀的工作性能和长期运行的可靠性。
总体结构
大型风力机的转速一般较低，约每分钟几十转甚至十几转。直驱永磁同步发电机直接与风力机相连接，其转速低、极数多，定、转子尺寸大，呈扁平状结构，具有转动惯量大的特点。
发电机采用外转
《东方电机》2014年第1期
子结构，结构紧凑，重量轻。主要由定子、转子、轴承、冷却循环系统、定子主出线盒、辅助出线盒等组成，发电机总装配见图8
。
主出线盒
定子
定轴
55
转子装配
转子机座采用高性能球墨铸铁件，由转轴与转子支架及磁轭一体铸造成型后加工而成。
磁钢采用高剩磁、高矫顽力、低失重钕铁硼，完全防止温度及电机故障状态下的外磁场退磁效应（如三相短路等情况发生）。加强表面处理措施有效防止盐雾、潮湿环境对磁钢的腐蚀，保证20年的磁钢使用寿命。转子装配见图10
。
刹车锁定装置
转子加热器
图8发电机总装配
图10转子装配
主轴承
轴承采用2个调心滚子轴承，驱动端为主要受力轴承，非驱动端为浮动轴承，轴承采用自动注脂润滑，保证轴承良好运行，通过高导电碳刷削弱轴电流的影响，主轴承结构见图11
。
定子装配
整个定子由机座、铁心和绕组等组成。机座为高性能球墨铸铁件，具有很好的抗疲劳性，且较适合批量生产的需要；定子铁心采用高导磁、低损耗、无时效优质硅钢片冲制而成的定子冲片叠装且设有径向通风沟以保证绕组散热，弹性压环装压结构使铁心在热态和冷态下都处于压紧状态，保证运行可靠性。
定子绕组采用圈式线圈，绝缘结构充分考虑了变频器高次谐波等影响，对匝间绝缘及对地绝缘进行了加强。定子铁心和线圈采用VPI真空压力整体浸漆，这样既保证了电机的整体绝缘性能，又加强了整体结构强度和传热效果。定子装配见图9
。
图11主轴承结构
图9定子装配
主轴
主轴材料为耐低温锻钢42CrMo4A，起到支撑发电机及风轮的作用，同时也是轴承油室的重要组成部分。对其进行了刚强度计算和疲劳分析，满足20年安全运行要求。
56
刹车及锁定装置采用液压制动，并在刹车盘上设有锁定装置，利于机组停机检修和维护，其结构见图12
。
《东方电机》2014年第1期
图12刹车装置
冷却系统
用空空冷却器，仅有空气一种介质参与热交换，从根本上消除了水的泄露问题且同样可以保证发电机运行系统的密闭性。空空冷却器结构简单，利用空气冷却器进行热交换，冷风稳定，温度低，空气清洁干燥，延长绝缘寿命，安装维修方便，便于运行维护，见图13
。
图13
发电机工厂试验系统
定额和性能
IEC60034-2：2007旋转电机—第2部分：损耗和效率的试验方法（不包括牵引机车用电机）
IEC60034-4：1985旋转电机—第4部分：参数试验方法
IEC60034-8：旋转电机—第8部分：线端标志和旋转方向
IEC60034-9：1997旋转电机—第9部分：噪声限值
ISO3746-1995声学、声压法测定噪音源声功率级、包络面简易测量法
IEC60034-11：2004旋转电机—第11部分：热保护
ISO10816-3-1998机械振动—用在非旋转部件上测量的方法评定机械振动—第3部分:现场测量时额定功率在15kW之上、额定速度在120r/min和15000r/min之间的工业机械
IEC60034-15：1995旋转电机—第15部分：带定子成型线圈的交流旋转电机的冲击电压耐受水平
IEC60034-181992旋转电机—第一部分：旋转电机绝缘体系的功能评定
IEEEstd115-2002同步电机试验程序
图13空-空冷却系统
试验主要引用标准IEC60034-1：2004
旋转电机—第1部分：
IEEEstd43-2000检测旋转电机绝缘电阻的
推荐实施规范
GB/T25389.1-2010风力发电机组低速永磁
《东方电机》2014年第1期
同步发电机第1部分：技术条件
GB/T25389.1-2010风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：
试验方法
试验项目
试验及检查项目如下：(1)发电机电枢绕组、检温元件、加热器冷态绝缘电阻的测定
(2)发电机电枢绕组、检温元件实际冷态直流电阻测定
(3)发电机空载试验（发电机处于冷状态）(4)发电机振动的测量
(5)发电机噪声的测量(6)温升试验
(7)发电机空载试验（热态）(8)冷却曲线
(9)负载试验(10)空载试验（电动机状态）(11)
交流耐电压试验
主要试验结果
主要试验结果见表2。
表2空载线电压谐波频谱表
试验项目额定功率
(V)
额定电流
（
m
测量结果
设计值
57
结语
直驱永磁风力发电技术省去了维护成本较高的齿轮箱，总体比较来看，其总损耗低、效率高、年发电量高，但成本仍是制约其发展的关键因素。通过对发电机进行优化设计，可以降低发电机的材料成本，同时，随着电力电子技术的发展，变频装置的成本也在不断降低。综合考虑长期运行、维护等各方面的成本，直驱永磁同步风力发电技术具有良好的发展前景。
目前，国内外对直驱永磁风力发电技术的研究具有以下趋势：
(1)研究并提出新型的定、转子结构，优化极、槽配合，定子超高压，发电机大型化，提高系统的集成度，降低成本[3]。
(2)结合直驱风力发电机的特点，优化磁路结构设计，推广、应用性能优越的新型永磁材料。
(3)改善大功率变频电路拓扑结构；提高能量转换效率，削弱谐波影响，增强电磁兼容性。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社,2010
[2]周寿增，董清飞.超强永磁体[M].北京：冶金工业出版社,2004
[3]薛玉石,韩力,李辉.直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景[J].电机与控制应用.2008,35(4).
(%)
振动测量（
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在可再生能源中，风力发电是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一。风力发电不消耗矿产资源，发电过程中对环境没有破坏影响，在强调可持续发展、保护环境的今天，风电已经成为全球普遍欢迎的清洁能源。国际上风电技术的创新很快，一方面装机容量越来越大，另一方面不断采用新型机组结构形式和材料，最新主流技术为变桨变速恒频和无齿轮箱直驱技术。
目前世界上有多种型号的大型风电机组在商业化运行，大体可分为三种类型：第一种是直接并网定速异步风力发电技术，传统风力发电机系统多采用这种型式；第二种是变速恒频双馈风力发电技术，这是新一代风力发电系统种应用最广的机型；第三种为变速恒频直驱型风力发电技术，也称直驱永磁同步风力发电技术，
是第三代风力发电技术。
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变流器
机侧整流
网侧逆变
主断路器
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组合箱式变压器
变流器控制器
10…35kV,f=50Hz
耦合变压器
中压开关柜
刹车
变浆控制器及速度编码器
同步电机
偏航系统
风机主控制器
图2无齿轮箱直驱全功率发电系统
直驱永磁同步风力发电技术采用的发电机为低速永磁同步发电机，且取消了风力机和发电机之间的可靠性差的齿轮箱。当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变流器将定子发出的变频变压的电能转换与电网频率幅值一致的稳定电能。发电机采用永磁体结构，无需外部励磁，没有电刷和滑环，简化了系统结构，提高了可靠性和发电效率，而且永磁结构比电励磁结构更适合做成多极低速结构，极距小、电机体积和质量相对较小，大大减少了系统体积重量和成本，提高了可靠性，同时，由于能量只从发电机流向电网，无需双向流动，因此功率变流器结构可以较为简单。该系统除可以实现变速恒频控制外，也可灵活实现有功、无功的解耦控制，而且发电机定子通过功率变流器连接电网，
具有更好的稳定性。
主要参数
1.5MW直驱永磁风力发电机主要参数如下：额定功率1650kW额定电压690V额定电流1580A相数3极对数40额定转速17.3r/m效率94.5%防护等级IP54绝缘等级F工作制S1(连续工作制
)磁场分布优化设计不同于常规能源，风能具有很强的随机性，大多数时间风力发电机只能够运行在低负荷水平。因此，对于优秀的电磁方案，不仅要合理优化分配额定负荷的磁势、磁势分布，还要对不同负荷水平下的磁场进行全面分析，达到成本与性能的合理匹配(见图3、图4)
。
磁路关键系数的有限元精确计算磁路系数（如气隙波形系数、漏磁系数、交直轴
《东方电机》2014年第1期53
产生齿谐波。齿谐波的存在不仅会使发电机的电
压波形畸变率增大，还会引起附加损耗的增加，效率下降。当电机采用整数槽方案，将会产生严重的一阶齿谐波。为削弱整数槽带来的齿谐波影响，提出了分段偏移磁极的方法，结合电磁场有限元仿真，并通过样机试验结果进行验证。
表1空载线电压谐波频谱表
谐波次数
优化前
谐波含量(%)
优化后1000.710.270.430.12
图
3
发电机空载运行时磁场分布
[1**********].960.455.42
2.18
图4发电机额定负载运行时磁力线分布
齿槽转矩优化
齿槽转矩是由永磁体与定子齿间作用力的切向分量所形成。齿槽转矩会带来振动和噪声，增大传动链疲劳效应，降低机组运行寿命。有针对性地采用斜极和短距等综合措施，在基本不增加电机材料成本的情况下，大幅降低齿槽转矩，优化电机性能。
故障工况下的瞬态分析
发电机在故障状态下的过渡过程，涉及到电机对故障的承受能力及疲劳损伤程度。采用场路耦合时步有限元法，充分考虑机械运动、材料非线性、转子涡流对瞬态过程的影响，提高电机运行寿命设计的准确度，三相突然短路故障冲击电流曲线见图5。
电枢反应系数等）的准确度很大程度上决定了设计
精度和电机的性能、成本。精确的磁路参数是设计先进的必要条件。采用有限元计算，可以得到高精度的磁路参数，再将其应用于磁路计算中，便能兼顾设计精度与计算速度，非常适用于在新机型开发时间紧的情况下，快速准确地开发出性能优良的电
磁方案。
电抗参数的精确计算
为实现风力发电机的矢量控制，需要提供准确
的直轴电抗参数q。永磁电机的磁路与常规电励磁电机有一定不同，在负载运行时，这两个参数又受到气隙磁势、定转子漏磁在交直轴之间耦合交叉的影响，常规解析方法采用了相当程度的简化，误差较大，需对这种特殊磁路带来的影响进行具体分析。研究中提出了更加精确的电流—磁链回线法，用参数表示的回线去逼近有限元计算的回线，特别适合在电机呈不均匀饱和状
态下高精度求解。
电势齿谐波优化
电机定子槽开口引起的气隙磁导不均匀，因此
0.005E3
-4.999E3
0.51
图5三相突然短路故障冲击电流曲线
54
永磁体防失磁分析
永磁体是一种非线性材料。在一定温度下，当受到一个较强的反向磁场作用，使永磁体工作点落在退磁曲线的拐点以下时，永磁体便会发生不可逆退磁。引起永磁体发生不可逆退磁的因素与永磁
《东方电机》2014年第1期
体材料、磁化方向长度、温度和外部故障磁场有关
[2]
。通过三相短路时永磁体去磁磁场的计算与分析，合理设计永磁体的厚度，达到在成本与安全性的一个平衡点，永磁体工作点的选取见图6，三相突然短路故障永磁体磁场分布见图7。
图6永磁体工作点的选取
图7
三相突然短路故障永磁体磁场分布
永磁体涡流损耗分析利用时步有限元法，对永磁体在空载、负载和故障工况时的涡流损耗分布进行仿真计算，得出永磁体在不同运行工况下涡流损耗的变化规律，并通过合理分块、分段、调整极槽配合等技术手段，有效降低永磁体涡流损耗，降低永磁体运行温度，确保
发电机具有优秀的工作性能和长期运行的可靠性。
总体结构
大型风力机的转速一般较低，约每分钟几十转甚至十几转。直驱永磁同步发电机直接与风力机相连接，其转速低、极数多，定、转子尺寸大，呈扁平状结构，具有转动惯量大的特点。
发电机采用外转
《东方电机》2014年第1期
子结构，结构紧凑，重量轻。主要由定子、转子、轴承、冷却循环系统、定子主出线盒、辅助出线盒等组成，发电机总装配见图8
。
主出线盒
定子
定轴
55
转子装配
转子机座采用高性能球墨铸铁件，由转轴与转子支架及磁轭一体铸造成型后加工而成。
磁钢采用高剩磁、高矫顽力、低失重钕铁硼，完全防止温度及电机故障状态下的外磁场退磁效应（如三相短路等情况发生）。加强表面处理措施有效防止盐雾、潮湿环境对磁钢的腐蚀，保证20年的磁钢使用寿命。转子装配见图10
。
刹车锁定装置
转子加热器
图8发电机总装配
图10转子装配
主轴承
轴承采用2个调心滚子轴承，驱动端为主要受力轴承，非驱动端为浮动轴承，轴承采用自动注脂润滑，保证轴承良好运行，通过高导电碳刷削弱轴电流的影响，主轴承结构见图11
。
定子装配
整个定子由机座、铁心和绕组等组成。机座为高性能球墨铸铁件，具有很好的抗疲劳性，且较适合批量生产的需要；定子铁心采用高导磁、低损耗、无时效优质硅钢片冲制而成的定子冲片叠装且设有径向通风沟以保证绕组散热，弹性压环装压结构使铁心在热态和冷态下都处于压紧状态，保证运行可靠性。
定子绕组采用圈式线圈，绝缘结构充分考虑了变频器高次谐波等影响，对匝间绝缘及对地绝缘进行了加强。定子铁心和线圈采用VPI真空压力整体浸漆，这样既保证了电机的整体绝缘性能，又加强了整体结构强度和传热效果。定子装配见图9
。
图11主轴承结构
图9定子装配
主轴
主轴材料为耐低温锻钢42CrMo4A，起到支撑发电机及风轮的作用，同时也是轴承油室的重要组成部分。对其进行了刚强度计算和疲劳分析，满足20年安全运行要求。
56
刹车及锁定装置采用液压制动，并在刹车盘上设有锁定装置，利于机组停机检修和维护，其结构见图12
。
《东方电机》2014年第1期
图12刹车装置
冷却系统
用空空冷却器，仅有空气一种介质参与热交换，从根本上消除了水的泄露问题且同样可以保证发电机运行系统的密闭性。空空冷却器结构简单，利用空气冷却器进行热交换，冷风稳定，温度低，空气清洁干燥，延长绝缘寿命，安装维修方便，便于运行维护，见图13
。
图13
发电机工厂试验系统
定额和性能
IEC60034-2：2007旋转电机—第2部分：损耗和效率的试验方法（不包括牵引机车用电机）
IEC60034-4：1985旋转电机—第4部分：参数试验方法
IEC60034-8：旋转电机—第8部分：线端标志和旋转方向
IEC60034-9：1997旋转电机—第9部分：噪声限值
ISO3746-1995声学、声压法测定噪音源声功率级、包络面简易测量法
IEC60034-11：2004旋转电机—第11部分：热保护
ISO10816-3-1998机械振动—用在非旋转部件上测量的方法评定机械振动—第3部分:现场测量时额定功率在15kW之上、额定速度在120r/min和15000r/min之间的工业机械
IEC60034-15：1995旋转电机—第15部分：带定子成型线圈的交流旋转电机的冲击电压耐受水平
IEC60034-181992旋转电机—第一部分：旋转电机绝缘体系的功能评定
IEEEstd115-2002同步电机试验程序
图13空-空冷却系统
试验主要引用标准IEC60034-1：2004
旋转电机—第1部分：
IEEEstd43-2000检测旋转电机绝缘电阻的
推荐实施规范
GB/T25389.1-2010风力发电机组低速永磁
《东方电机》2014年第1期
同步发电机第1部分：技术条件
GB/T25389.1-2010风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：
试验方法
试验项目
试验及检查项目如下：(1)发电机电枢绕组、检温元件、加热器冷态绝缘电阻的测定
(2)发电机电枢绕组、检温元件实际冷态直流电阻测定
(3)发电机空载试验（发电机处于冷状态）(4)发电机振动的测量
(5)发电机噪声的测量(6)温升试验
(7)发电机空载试验（热态）(8)冷却曲线
(9)负载试验(10)空载试验（电动机状态）(11)
交流耐电压试验
主要试验结果
主要试验结果见表2。
表2空载线电压谐波频谱表
试验项目额定功率
(V)
额定电流
（
m
测量结果
设计值
57
结语
直驱永磁风力发电技术省去了维护成本较高的齿轮箱，总体比较来看，其总损耗低、效率高、年发电量高，但成本仍是制约其发展的关键因素。通过对发电机进行优化设计，可以降低发电机的材料成本，同时，随着电力电子技术的发展，变频装置的成本也在不断降低。综合考虑长期运行、维护等各方面的成本，直驱永磁同步风力发电技术具有良好的发展前景。
目前，国内外对直驱永磁风力发电技术的研究具有以下趋势：
(1)研究并提出新型的定、转子结构，优化极、槽配合，定子超高压，发电机大型化，提高系统的集成度，降低成本[3]。
(2)结合直驱风力发电机的特点，优化磁路结构设计，推广、应用性能优越的新型永磁材料。
(3)改善大功率变频电路拓扑结构；提高能量转换效率，削弱谐波影响，增强电磁兼容性。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社,2010
[2]周寿增，董清飞.超强永磁体[M].北京：冶金工业出版社,2004
[3]薛玉石,韩力,李辉.直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景[J].电机与控制应用.2008,35(4).
(%)
振动测量（