【圖】直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及發(fā)電機(jī)組概述
(2023/4/19 0:03:00)
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及發(fā)電機(jī)組概述
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及發(fā)電機(jī)組概述
二極三相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘3000轉(zhuǎn)，四極三相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘1500轉(zhuǎn)，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較低，小型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘最多幾百轉(zhuǎn)，大中型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘幾十轉(zhuǎn)甚至十幾轉(zhuǎn)，必須通過(guò)齒輪箱增速才能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。下圖是一臺(tái)采用齒輪箱增速的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。
使用齒輪箱會(huì)降低風(fēng)力機(jī)效率，齒輪箱是易損件，特別大功率高速齒輪箱磨損厲害、在風(fēng)力機(jī)塔頂環(huán)境下維護(hù)保養(yǎng)都較困難。不用齒輪箱用風(fēng)力機(jī)漿葉直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電是可行的，這必須采用專用的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，稱之為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。近些年直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)已從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用發(fā)展，國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)已研制成功，據(jù)報(bào)道目前國(guó)外最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已達(dá)7MW，是直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組。
低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)都是多極結(jié)構(gòu)，水輪發(fā)電機(jī)就是低速多極發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)用的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)也有類似原理構(gòu)造，一種多極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，只是要求在結(jié)構(gòu)上更輕巧一些。
近些年高磁能永磁體技術(shù)發(fā)展很快，特別是稀土永磁材料釹鐵硼在直驅(qū)式發(fā)電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。采用永磁體技術(shù)的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高。永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要有軸向與盤式結(jié)構(gòu)兩種，軸向結(jié)構(gòu)又分為內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子等；盤式結(jié)構(gòu)又分為中間轉(zhuǎn)子、中間定子、多盤式等；還有開始流行的雙凸極發(fā)電機(jī)與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。
下圖是一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。其定子與普通三相交流發(fā)電機(jī)類似，轉(zhuǎn)子由多個(gè)永久磁鐵構(gòu)成。
外轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電繞組在內(nèi)定子上，繞組與普通三相交流發(fā)電機(jī)類似；轉(zhuǎn)子在定子外側(cè)，由多個(gè)永久磁鐵與外磁軛構(gòu)成，外轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪輪轂安裝成一體，一同旋轉(zhuǎn)。本欄有對(duì)外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的專門介紹，下圖是一個(gè)外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。
盤式永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都呈平面圓盤結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子軸向排列，有中間轉(zhuǎn)子、中間定子、多盤式等結(jié)構(gòu)，本欄有對(duì)中間轉(zhuǎn)子與中間定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的專門介紹，下圖是一個(gè)中間定子直驅(qū)盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。
還有一種半直驅(qū)發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)也有上述幾種，只不過(guò)極數(shù)沒(méi)那么多而已，還需使用齒輪箱進(jìn)行少量增速，由于極數(shù)較少的發(fā)電機(jī)與增速不大的低速齒輪箱制造維護(hù)都較方便，成本相對(duì)低廉，故采用半直驅(qū)發(fā)電機(jī)加低速齒輪箱也是一種折中的方案。
在永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)上還有一個(gè)重要的特點(diǎn)，那就是繞組的槽數(shù)與磁極數(shù)不成整數(shù)關(guān)系，這是因?yàn)楫?dāng)所有磁極與槽數(shù)整齊對(duì)應(yīng)時(shí)，磁力線有最短磁路，轉(zhuǎn)子與定子間的強(qiáng)大吸引力會(huì)使發(fā)電機(jī)起動(dòng)非常困難。所以起動(dòng)阻力矩也就成了永磁發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)，采用分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)就可以較好的減小起動(dòng)阻力矩。另外分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)還可以在同數(shù)目磁極下減少線槽數(shù)，降低制造難度。如何選好永磁發(fā)電機(jī)的極數(shù)與槽數(shù)是目前正在研究中的新技術(shù)，方案也很多，本欄目就不作介紹了，在以下幾種永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示例中仍采用整數(shù)槽。
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及發(fā)電機(jī)組概述
二極三相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘3000轉(zhuǎn)，四極三相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘1500轉(zhuǎn)，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較低，小型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘最多幾百轉(zhuǎn)，大中型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘幾十轉(zhuǎn)甚至十幾轉(zhuǎn)，必須通過(guò)齒輪箱增速才能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。下圖是一臺(tái)采用齒輪箱增速的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。
使用齒輪箱會(huì)降低風(fēng)力機(jī)效率，齒輪箱是易損件，特別大功率高速齒輪箱磨損厲害、在風(fēng)力機(jī)塔頂環(huán)境下維護(hù)保養(yǎng)都較困難。不用齒輪箱用風(fēng)力機(jī)漿葉直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電是可行的，這必須采用專用的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，稱之為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。近些年直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)已從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用發(fā)展，國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)已研制成功，據(jù)報(bào)道目前國(guó)外最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已達(dá)7MW，是直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組。
低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)都是多極結(jié)構(gòu)，水輪發(fā)電機(jī)就是低速多極發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)用的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)也有類似原理構(gòu)造，一種多極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，只是要求在結(jié)構(gòu)上更輕巧一些。
近些年高磁能永磁體技術(shù)發(fā)展很快，特別是稀土永磁材料釹鐵硼在直驅(qū)式發(fā)電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。采用永磁體技術(shù)的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高。永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要有軸向與盤式結(jié)構(gòu)兩種，軸向結(jié)構(gòu)又分為內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子等；盤式結(jié)構(gòu)又分為中間轉(zhuǎn)子、中間定子、多盤式等；還有開始流行的雙凸極發(fā)電機(jī)與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。
下圖是一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。其定子與普通三相交流發(fā)電機(jī)類似，轉(zhuǎn)子由多個(gè)永久磁鐵構(gòu)成。
外轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電繞組在內(nèi)定子上，繞組與普通三相交流發(fā)電機(jī)類似；轉(zhuǎn)子在定子外側(cè)，由多個(gè)永久磁鐵與外磁軛構(gòu)成，外轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪輪轂安裝成一體，一同旋轉(zhuǎn)。本欄有對(duì)外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的專門介紹，下圖是一個(gè)外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。
盤式永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都呈平面圓盤結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子軸向排列，有中間轉(zhuǎn)子、中間定子、多盤式等結(jié)構(gòu)，本欄有對(duì)中間轉(zhuǎn)子與中間定子直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的專門介紹，下圖是一個(gè)中間定子直驅(qū)盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖。
還有一種半直驅(qū)發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)也有上述幾種，只不過(guò)極數(shù)沒(méi)那么多而已，還需使用齒輪箱進(jìn)行少量增速，由于極數(shù)較少的發(fā)電機(jī)與增速不大的低速齒輪箱制造維護(hù)都較方便，成本相對(duì)低廉，故采用半直驅(qū)發(fā)電機(jī)加低速齒輪箱也是一種折中的方案。
在永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)上還有一個(gè)重要的特點(diǎn)，那就是繞組的槽數(shù)與磁極數(shù)不成整數(shù)關(guān)系，這是因?yàn)楫?dāng)所有磁極與槽數(shù)整齊對(duì)應(yīng)時(shí)，磁力線有最短磁路，轉(zhuǎn)子與定子間的強(qiáng)大吸引力會(huì)使發(fā)電機(jī)起動(dòng)非常困難。所以起動(dòng)阻力矩也就成了永磁發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)，采用分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)就可以較好的減小起動(dòng)阻力矩。另外分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)還可以在同數(shù)目磁極下減少線槽數(shù)，降低制造難度。如何選好永磁發(fā)電機(jī)的極數(shù)與槽數(shù)是目前正在研究中的新技術(shù)，方案也很多，本欄目就不作介紹了，在以下幾種永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示例中仍采用整數(shù)槽。
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