直驱式风力发电机组概述

直驱式风力发电机组概述二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱式风力发电机组的结构示意图。还有一种半直驱发电机，结构也有上述几种，只不过极数没那么多而已，还需使用齿轮箱进行少量增速，由于极数较少的发电机与增速不大的低速齿轮箱制造维护都较方便，成本相对低廉，故采用半直驱发电机加低速齿轮箱也是一种折中的方案。在永磁直驱式风力发电机的结构上还有一个重要的特点，那就是绕组的槽数与磁极数不成整数关系，这是因为当所有磁极与槽数整齐对应时，磁力线有最短磁路，转子与定子间的强大吸引力会使发电机起动非常困难。所以起动阻力矩也就成了永磁发电机的重要参数，采用分数槽设计就可以较好的减小起动阻力矩。另外分数槽设计还可以在同数目磁极下减少线槽数，降低制造难度。如何选好永磁发电机的极数与槽数是目前正在研究中的新技术，方案也很多，本栏目就不作介绍了，在以下几种永磁直驱式发电机的结构示例中仍采用整数槽。观看中间定子直驱式风力发电机动画请到以下网址：=直驱式外转子永磁风力发电机结构外转子电机的特点是定子在靠轴中间不动，转子在外围旋转。在下图中展示了内定子的构造，内定子由硅钢片叠成，与常见的外定子相反，其线圈槽是开在铁芯圆周的外侧。内定子铁芯通过定子的支撑体固定在底座上，在底座上有转子轴承孔用来安装外转子的转轴。在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，绕组是按三相规律分布，与外定子绕组类似。外转子如同一个桶套在定子外侧，由导磁良好的铁质材料制成，在“桶”的内侧固定有永久磁铁做成的磁极，这种结构的优点是磁极固定较容易，不会因为离心力而脱落。按多极发电机的原理，磁极的布置如下图从另一侧看外转子把外转子转轴安装在定子机座的轴承上这是安装好的整机外观图在实际风力机制造中往往把外转子磁軛直接与风轮轮毂（包括轮毂外罩）制成一体，使结构更紧凑。直驱永磁中间定子盘式风力发电机结构直驱永磁盘式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间定子盘式发电机。下图是一个盘式定子。由于盘式发电机通过定子绕组的的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在两侧有绕组的嵌线槽。在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置连接。定子铁芯固定在机座的支架上盘式转子由磁軛与永久磁铁组成，下图为左面转子图下图为磁极的分布图右面转子结构与左面转子结构相同，只是反个面而已。下图为左右转子间的磁力线走向图。为更清楚的看清磁力线走向，下图为稍侧面的磁力线走向图。把转子与定子摆在一起安装上左右端盖，下图为组装好的永磁中间定子盘式发电机。下图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。下图为侧视的剖面图，为看清内部结构隐藏了右转子。直驱永磁中间转子盘式风力发电机结构盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间转子盘式发电机。下图是一个盘式定子，由于盘式发电机的通过定子绕组的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在一侧有绕组的嵌线槽。在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置，单个绕组呈扇形状。定子有两个，右定子与左定子结构一样，只是反个面而已。转子由永久磁铁组成，磁铁固定在非导磁材料制成的转子支架上，下图是转子的结构图。每块磁铁的磁极在转子的两面，下图表示了磁力线在转子与定子间的走向，下图是转子与定子的布置图先把左定子固定在左端盖中，再装上转子，把右定子固定在右端盖中，左右端盖扣紧固定，发电机就组装好了，下图为发电机外观图。下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图下图为侧视的剖面图。观看中间转子盘式永磁发电机剖面旋转动画请到以下网址：或公司E-112风力发电机的吊装图片据报道目前最大的风力发电机为Enercon公司E-126直驱式风力发电机，功率为7MW，为使科技爱好者能一睹这当今最大的风力发电机的风采，从网上找到一组Enercon公司E-112直驱式风力机的吊装图，E-112风力机功率为6MW，虽不是最大的E-126，但E-126仅是E-112的改进型，外观结构一样。该组照片是2006年9月份拍摄的。风力机的塔架是20-30个工人用了8个月建成的先安装完毕1250吨重的吊车机舱高17米，不带叶片重约250吨工人对机舱内部进行安装吊装机舱吊装直驱发电机吊装叶片运行中的E-112风力发电机下图是运行中的E-126风力发电机的照片