郭继高
南京航空航天大学，南京 210017
1 引 言
人们曾使用过直流发电机、电磁式交流发电机、爪极式发电机、磁阻式发电机以及感应子式发电机等用于小型风能发电装置。随着永磁材料的技术发展，永磁材料磁能积大大提高，目前主要使用永磁发电机。该类电机不论从电气性能上，还是在安全可靠性上讲，都优于前几类发电机。由于该类发电机的应用场所与一般发电机不同，其技术要求有其特殊性，在性能上又必须与风力机有良好的匹配，因此，就该类发电机中的几个问题进行一些分析、探讨。
2 技术要求
图1为小型风能发电装置的原理图，风驱动风轮旋转，将风能转为机械能，风轮带动发电机旋转，将机械能转化为电能，整流后输出。该类发电机的设计，首先要选择发电机的型式和整流线路；确定计算的整流功率，额定功率、电压、转速等。对它的主要技术要求为：
图 1 小型风能发电装置的原理图
(1) 额定输出功率PN(W)；(2) 额定输出电压(直流)UN(V)；(3) 额定转速NN(r／min);(4) 发电机效率η(%);(5) 起动阻转矩TN(N.m)；(6) 在65%额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压；(7) 在150%额定转速下，发电机在额定电压下应能过载运行2 min；(8) 发电机在空载情况下，应能承受2倍额定转速，历时2min，转子结构应不发生损坏及有害变形；(9) 发电机应能防雨雪，防沙及防雷。
除此之外，还应符合一般电机的绝缘、耐压、机械强度等技术要求。
技术要求中(5)、(6)、(7)、(8)是风力发电机的特殊要求，下面将分别进行分析。
3 电磁负荷的选择
近代电机制造的实践和电机长期运行的经验大致给出了设计电机的线负荷As和磁负荷Bδ的范围。当As和Bδ的乘积相同时，则As和Bδ之间的比值决定着发电机的不同参数，力能指标和质量。当Bδ大而As小时发电机为富铁型，而当As大而Bδ小时发电机为富铜型。
电机电负荷的大小以电机绕组的电流密度j(A／mm2)及线负荷As(A/cm)来衡量，电负荷越大，铜损越大。对于小功率的风力发电机，一般为低压大电流。特别是1kW以下发电机大多采用24、36V或48V(整流后的直流)，这种电机的额定电流较大。对于1至10kW的小功率发电机，也不能取过高的额定输出电压。因为该类发电机主要采用蓄电池储能，电压高，必须用更多的蓄电池，提高了整机的成本，一般客户难以接受。总之，小功率风力发电机线负荷比较高，属富铜型发电机，电机的铜损大，约占电机总损耗的70%左右，这是客观情况。此外，发电机的输出功率是随风速增加而增加的，如图2所示。发电机功率提高，发热增加，但随着风速增加，散热条件大大改善，因此，对于该类发电机不应格守一般电机选取As的标准，可选取较高As值，既需要又允许。例如一般小功率电机As为60至80A/cm；而该类发电机的As可取为100至150A/cm；而采用高效喷油冷却的航空发电机As可达 300A／cm左右。因此As的选择要综合考虑电机损耗、效率、散热和应用场合，取得一合理数值。
图 2 发电机输出特性
磁负荷Bδ的选择，可完全依照电机理论的一般原则，这里不再赘叙。
4 定 子
4.1 定子齿槽
基于该类发电机的电负荷较高，铜损大，在设计发电机时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。这一点不是每个厂家都考虑到的。往往由于定子绕组导线较细，在发电机初始运行时可以达到设计要求。发电机运行2至3小时后，温升急骤上升，输出功率也迅速下降，从而使额定输出功率达不到要求。
4.2 定子绕组
小功率风力发电机的技术要求(5)中引入了发电机起动阻转矩的概念，这是因为小型风能发电装置一般转速在几十至几百转，为了减少环节，降低成本和提高可靠性，该装置的风轮直接耦合在发电机轴上。这就要求尽量减小由发电机齿槽效应产生的阻转矩，使得风轮在风速较低时(2至3m/s)，能够迅速起动，尽快发电。为此，国标GB10760.1－89提出了要求，见下表。
功率 (W)
50
100
200
300
500
1000
最大起动阻转矩(Nm)
0.20
0.30
0.35
0.50
1.20
1.50
从电机的理论上讲，采用定子斜槽，转子斜极及定子分数槽绕组都可以降低齿槽效应引起的阻转矩，满足技术要求。但是实践证明分数槽绕组是降低阻转矩的最有效办法。
采用定子斜槽，工艺上比较容易实现，但效果不明显，而且如果斜槽距离太大，发电机的电气性能会受影响；采用转子斜极，将转子磁钢、磁极扭到合理的尺寸，工艺上难度较大，而效果也不明显；因此，大多采用分数槽绕组。
分数槽绕组：
每极每相槽数q=Zs/2mp=a+c/d
每极槽数 Q=Zs/2p=A+C/D
式中：Zs为定子槽数；m不绕组相数；p为发电机极对数；A、a为整数；c/d、C/D为不可约分的分数。
理论和实践证明，D越大，发电机的起动阻转矩越小［5］。此外，随着q值的增加，负序阻抗减小，漏抗降低，这是我们希望的。但是同时，过份增大q值，发电机抑制高次谐波的能力降低，又是该避免的。因此，只要满足国标规定的阻转矩大小要求，不是q值越大越好。
我们计算和实际测试了几种发电机的转矩，从中可以判定齿极配合的情况，见图3。
图 3 阻转矩与槽数关系
5 转 子
小型风能发电装置的风轮转速每分钟为几十至几百转，其发电机转子直接耦合在风轮上。风轮转速决定了发电机为多极低速发电机；转子一般采用铁氧体和钕铁硼磁钢，切向结构；转子结构必须牢固，能经受风速急骤变化的冲击，而不发生破坏、损伤和变形。这正如技术要求(7)、(8)中明确指出的。转子的问题将专文讨论。
6 特 性
6.1 直流输出电压
该发电机输出交流电压整流后向蓄电池充电。国标规定，其整流后的电压应比标准12V蓄电池高2V，即发电机输出电压为14V，28V，42V，56V……。但实践证明，该规定对于风力资源非常丰富的地区是可行的，而对于风力资源一般，但可以利用的地区是偏低的，有人曾在江苏内湖围网养殖地区，用输出42V(直流)的发电机接在二只串联蓄电池上(24V)效果很好，并没有出现严重问题。因此，设计发电机时，应该了解风力机使用地区的风源情况，一般应高于4V以上，以便充分利用可贵的风力资源。
6.2 输出特性
输出功率P与转速n的关系是一般发电机不要求的，而对于这类发电机是重要的。图2为DYF－600型发电机的实测特性。由于特定的要求，风力机对发电机要求在低风速时能够发电，而在额定风速以上输出特性尽量软一些。因此设计发电机时应尽量使磁路饱合些，不致因风力机的经常超速，而发电机输出功率急骤上升，造成对充电器、逆变器的过大冲击和发电机的过热，从而损坏。
6.3 风力机特性与发电机输出特性的匹配
(1)风力机起动后，要求发电机尽快发电，即在低风速范围内能捕获风能。这正如技术要求(6)所要求的，发电机的起动阻转矩尽量小些，使风力机尽早切入运转。
(2)希望发电机P=f(n)在额定点前为二次抛物线关系，以利用发电机与风力机的匹配，获取最佳风能，如图4所示。
P=f(n) 发电机输出特性；T=f(n) 风力和转矩特性
图 4 风力机特性与发电机特性匹配曲线
参考文献
1 上海微电机研究所. 微特电机设计手册［M］.上海科学技术出版社，1998
2 南京航空航天大学. 航空交流发电机设计［M］
3 东方电机厂. 永磁发电机设计原理［M］
4 ［苏］B.A.巴拉石洛夫著，朱耀忠. 特种交流电机设计［M］
5 张稼丰，郭继高，马大华. 永磁风力发电机起动阻力矩分析与计算［J］. 微特电机,1988,(2):2223
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