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直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。
永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。
一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。
现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。
永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。
与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。
（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。
（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。
（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。
（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。
（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。
（7）永磁体存在退磁的可能。
目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。
2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。
2 MW直驱永磁同步风力发电机的电磁设计
吕雨农;彭晓;王步瑶;刘万太
【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(026)001
【摘要】通过应用传统电机电磁计算方法确定了2 MW永磁同步风力发电机的初始电磁方案,并确定了发电机的几个主要的设计参数,对Ansoft Maxwell软件中的RMxprt电机设计模块所建立的发电机模型进行仿真和分析,通过对此仿真分析结果和电磁计算结果进行对比,反馈到发电机初始电磁方案中,进行相应的修正和完善,得到了符合设计要求的发电机电磁方案和主要电磁参数仿真结果,验证了2 MW永磁同步风力发电机设计的有效性.
【总页数】4页(P15-18)
【作者】吕雨农;彭晓;王步瑶;刘万太
【作者单位】湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101;湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101;湘潭电机股份有限公司,湘潭411101;湘潭机电技术学院,湘潭411101
【正文语种】中文
【中图分类】TM315
【相关文献】
1.5MW直驱永磁风力发电机的电磁设计与计算 [J], 李春林
2.2.935MW永磁同步风力发电机电磁设计与仿真 [J], 温嘉斌;李金泽
3.3 MW半直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真 [J], 刘军伟;李华阳;钟云龙;崔明;卢江跃
4.全球首台12MW半直驱永磁同步风力发电机在中车株洲电机下线! [J],
5.国内首台6MW海上半直驱永磁同步风力发电机在中车株洲电机下线 [J],
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直驱式永磁同步风力发电机性能研究摘要：现代风力发电技术的发展趋势为一是无刷化，二是采用取消增速机构的风力机直接驱动低速发电机，其中最典型的是直接驱动永磁风力发电机。
本文以输出功率1.5 MW，转速为20 r/min，120 极378槽的内置式直驱永磁风力发电机为例，通过场路结合法分析了发电机在空载、额定负载、短路情况下的运行性能。
最后比较和分析了极弧系数、负载变化以及每极每相槽数对永磁同步发电机性能的影响，为今后电机参数优化提供理论依据。
关键词：直驱式；永磁同步风力发电机；性能前言永磁直驱同步风力发电机是由风力直接驱动发电机进行发电，亦称无齿轮风力发电机。
这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和易过早损坏的部件，因此没有齿轮箱的直驱式风力发电机，具备高效率、低噪声、高寿命、体积小、维护成本低等诸多优点。
一、永磁同步风力发电机运行性能分析采用RMxprt软件对功率为1.5 MW的直驱式永磁风力发电机进行设计，确定电机尺寸为：定子外径3 620 mm，定子内径3 324 mm，转子外径3 182 mm，铁心长度1 140 mm，永磁体材料为Nd-FeB，永磁体厚度25 mm，气隙长度6 mm。
RMxprt软件得到的永磁风力发电机的性能指标列于表1。
1、空载特性图1 给出用Maxwell2D软件得到的转速为20 r/min时的空载相电压波形，其空载线电压为1 194.9 V，而用RMxprt软件计算的空载基波感应电压为1 021.9 V，两者差值是由于其它次谐波所造成的。
图2所示为空载电压的谐波分量分布情况，3次谐波为其谐波中最大，总谐波畸变THD为11.91%，可以采取优化永磁体形状等一些设计方案来降低THD。
空载齿槽转矩如图3所示，表明120极378槽设计方案的齿槽转矩脉动小，风机叶片的转速脉动也随之减小。
图4给出了空载时的磁力线分布情况，可以看到磁力线合理地分布于定子齿部和转子轭部内，永磁体间漏磁很小，定子齿部磁密较大。
1.5 MW直驱永磁风力发电机综述作者：杨斌山陈早康来源：《硅谷》2013年第16期摘要风能是一种丰富、清洁和可再生的一次能源，实现可靠、高效、经济的“风能-机械能-电能”的转化和输送是当前研究的重要课题。
针对风力发电控制问题，综述了国内外相关技术研究现状，分析了1.5 MW直驱永磁风力发电机的结构及原理，阐述了发电机组的并网技术。
关键词风力发电；直驱永磁；并网中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0010-021 风力发电简介风能跟太阳能一样属于一种可再生资源，具有清洁、丰富、一次性等特点，在社会与经济的发展过程中，它已经越来越成为一种被广泛重视的能源。
风能的蕴藏量十分大，全世界范围内拥有的风力资源的总量大约有2.74×109 MW，在这些总能中绝大多数能够被我们加以利用，超过能够被开采利用的水资源十倍多全球目前有三大风力发电市场，它们分别是美国、德国、西班牙，而中国一直有储量很大的风能，因为中国国土面积的广阔，所以这些能源的分布很广，再加上我国近几年风电产业技术的飞速发展，中国将成为全球排名第四的风力发电市场。
在现在的中国，风力发电行业将会拥有一个十分广阔、充满生机的发展前景，并将处于一个飞速发展的状态中。
现在风电装机国产化以及规模化的不断实现，让风力发电的成本有了降低的可能，所以风电产业将成为一些人实现财富梦想的投资目标。
西部地区的新疆维吾尔自治区占总国土面积总数的15%，该区因为其得天独厚的地质条件，可产生丰富的电力资源。
在新疆，可以开发利用的风区总面积超过了14万平方公里，主要分布在达坂城、罗布泊、塔城老风口以及小草湖等地，这些风区可装机总量大约在7900多万以上。
新疆凭借着丰富的风能资源形成了对国内外风电企业具有强大吸引力的风电市场。
有关部门对此做了初步的规划，要在2020年实现风电装机总容量千万千瓦余的突破，达到新疆风电可以大规模向外输送的目标。
龙源期刊网 兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航特性分析作者：鄂加强陈燕李振强钱承来源：《湖南大学学报·自然科学版》2014年第01期摘要：针对兆瓦级风力机偏航动作时剧烈振动问题，本文根据兆瓦级风机偏航系统主动偏航原理，在ADAMS中建立了兆瓦级风力发电机偏航系统虚拟样机动力学仿真模型.兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航振动分析结果表明，偏航系统前四阶扭转振动的固有频率分别为17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz.动力学仿真分析结果表明，主机架在偏航运动的结束阶段存在剧烈的来回振荡现象，且振动的幅值达到了0.15 rad，振动衰减的时间超过了20 s，通过在主机架上加反馈控制可快速消除兆瓦级风机偏航系统来回振荡现象.关键词：风力发电机组；偏航系统；主动偏航；固有频率中图分类号：TK83 文献标识码：A随着世界各国对能源需求的持续增长与日益严格的环境法规，目前兆瓦级风力发电机组已成为风能利用的主流设备.当风速矢量方向发生变化时，风力发电机组的偏航系统能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能.然而在主动偏航系统启动与刹车过程中，偏航系统的振动对风力发电机组的振动噪声、紧固件的疲劳寿命等方面产生严重的影响.如果其固有频率接近激励频率，系统将产生共振，则风力机在运行过程中，载荷由于结构共振而被放大，这关系到整个风电机组的安全运行.因此有必要对兆瓦级风力发电机偏航系统的振动特性作深入研究，避免共振的发生.然而，目前国内外对风力发电机组振动的研究主要集中在塔筒和桨叶方面，对偏航系统振动研究还比较少[1-3].文献[3]对兆瓦级风力机液压驱动的偏航系统进行了优化设计.文献[4]建立了塔架的扭转振动模型和运动方程，引入了摩擦失稳因子，得到塔架扭转振动失稳的条件.文献[5]从理论上对塔架进行了模态分析，在机舱与塔架耦合条件下求解塔架扭转振动的各阶固有频率与振型.文献[6]对螺栓连接非线性振动特性进行研究，将螺栓连接系统简化为弹簧、阻尼器、质量块的单自由度模型，说明了非线性方程能够较好地描述螺栓连接的振动特性.但如何采取有效措施对兆瓦级风力发电机组偏航系统进行主动偏航动力学分析仍然是主动偏航过程兆瓦级风机偏航系统性能提高的瓶颈.为此，本文针对兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航过程振动现象，从动力学角度研究偏航系统的动力学机理，并构建合适的兆瓦级风力发电机组偏航系统虚拟样机动力学模型，研究主动偏航过程偏航系统动力学规律.1偏航系统主动偏航动力学模型。
直驱永磁同步风力发电机介绍导语：永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、效率高的特点而在中小型风力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机。
永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、效率高的特点而在中小型风力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机。
永磁风力发电机通常用于变速恒频的风力发电系统中，风力发电机转子由风力机直接拖动，所以转速很低。
由于去掉了增速齿轮箱，增加了机组的可靠性和寿命；利用许多高性能的永磁磁钢组成磁极，不像电励磁同步电机那样需要结构复杂、体积庞大的励磁绕组，提高了气隙磁密和功率密度，在同功率等级下，减小了电机体积。
永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。
对于典型的外转子永磁同步发电机结构，外转子内圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，内定子嵌有三相绕组。
外转子设计，使得能有更多的空间安置永磁磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。
由于转子直接暴露在外部，所以转子的冷却条件较好。
外转子存在的问题是主要发热部件定子的冷却和大尺寸电机的运输问题。
内转子永磁同步发电机内部为带有永磁磁极、随风力机旋转的转子，外部为定子铁心。
除具有通常永磁电机所具有的优点外，内转子永磁同步电机能够利用机座外的自然风条件，使定子铁心和绕组的冷却条件得到了有效改善，转子转动带来的气流对定子也有一定的冷却作用。
另外，电机的外径如果大于4m，往往会给运输带来一些困难。
很多风电场都是设计在偏远的地区，从电机出厂到安装地，很可能会经过一些桥梁和涵洞，如果电机外径太大，往往就不能顺利通过。
内转子结构降低了电机的尺寸，往往给运输带来了方便。
内转子永磁同步发电机中，常见有四种形式的转子磁路，分别为径向式、切向式、和轴向式。
相对其它转子磁路结构而言，径向磁化结构因为磁极直接面对气隙，具有小的漏磁系数，且其磁轭为一整块导磁体，工艺实现方便；而且径向磁化结构中，气隙磁感应强度接近永磁体的工作点磁感应强度，虽然没有切向结构那么大的气隙磁密，但也不会太低，所以径向结构具有明显的优越性，也是大型风力发电机设计中应用较多的转子磁路结构。
2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍
北京湘电科技有限公司
摘要：由湘潭电机股份有限公司出资组建的风力发电合资公司，从荷兰引进了风力发电系统的成套技术，其中发电机为ABB生产的永磁直驱发电机。
由于ABB 公司无法保证按时供货而且电机价格昂贵，风力发电合资公司委托湘潭电机股份有限公司开发替代现有ABB电机的永磁直驱发电机。
在设计上，集合了国内优良资源，组成产学研一体的设计团队，采用先进的有限源分析方法，着重解决了磁钢化学退磁、减小定位阻力矩、减小谐波在转子中损耗以及参数优化等技术问题。
在工艺上，对定子热套浸漆、定转子装配进行了工艺研究。
经过样机试验，效果较好。
一．风电发展现状
1. 国外风力发电机的发展现状
2. 国内风力发电机的发展现状
3. 预测
4. 风力电机发展趋势
二．湘电2兆瓦风力发电机介绍
1. 电机技术要求
2. 电机主要结构
电机结构主要由前端盖、定子、转子、后端盖、主轴承、和锥形支撑等6大零部件组成。
2.1 电机结构二维示意图
1．前端盖；2．定子；3．转子；4．后端盖；5．主轴承；6．锥形支撑2.2 电机结构三维示意图
电机整体示意
电机分解示意
3. 电机主要参数
电机型号 GPM-1-2000 电机型式 永磁同步 防护等级 IP55 冷却方式 风冷 绝缘等级 F
符合标准
GB755-2000
环境温度（外部空气） 40 ℃ 相对空气湿度 100 ％ 安装最大海拔高度 1000 m 工作制 S1 额定功率
2110 kW 额定功率因数 0.97 额定电压 660 V 极数 60 相数 2×3 频率 11.25
Hz 额定电流 2×924.775 A 额定转速 22.5 rpm 效率 95
％ 额定转矩
933228
N.m
前端盖
锥形支撑
主轴承
转子
定子
后端盖
接法YY
转子重量11118.25 kg
电机重量47291 kg
转动惯量28059 kg.m2 4. 电磁性能分析
4.1 静态磁场分析
4.2 短路性能分析气隙磁密分布
磁密分布
电机二维1/6分析模型磁力线分布
4.3 永磁体去磁分析
分析永磁体在额定负载和6相短路时去磁情况，此工况下绕组磁场分布用于退磁。
4.4 发电性能分析—空载
4.5 发电性能分析—独立负载
4.6 发电性能分析—接电网（负载2MW）
结论：通过对2MW60极永磁同步发电机的磁路分析，发电性能分析，论证了该永磁发电机的性能如下：
1）当发电机单独负载2MW供电时，电机效率大于95% 。
2）当发电机与电网连接时，可在满载范围内保证高的发电性能指标（电机效率大于95.5% ）。
3）6相突然短路时，永磁体不会退磁。
5. 主要解决的技术问题
5.1 多方案比较
结论：在试制造设计阶段，设计团队对以上提出的方案，分别从电磁性能、定子结构和定子绕组、转子结构、电磁场分析以及仿真分析验证等四个方面进行了论证，最终采用了方案八。
该方案在体积上和ABB相当，并且考虑到没有此类电机的设计生产经验，而且该方案电机的磁密、电密、热负荷都留有较大裕度。
5.2 防磁钢退磁
5.2.1 永磁电机退磁主要有以下几种:
1）大电流冲击退磁：
由于现在的控制器采用了矢量控制技术，电机在起动过程中以额定电流恒定力矩起动，没有电流冲击。
由于电机最大电流发生在故障状态下三相短路时的短路电流，因此，在设计时只要保证校算短路状态下磁钢工作点在磁钢工作曲线拐点以上，就能保证电机在使用过程中不会因大电流冲击而退磁。
现在磁钢在额定使用温度下，拐点基本在0.2以下，只要设计合理完全能满足电机要求。
2）高温退磁：
主要控制电机热负荷保证电机温升小于磁钢使用温度。
采取措施减小高次谐波在磁钢表面中的涡流损耗，保证磁钢温度。
3）化学退磁：
以上二种退磁都是在特定条件下发生的，只要设计得当，保证材料性能，就能防止退磁发生，均与磁钢寿命无关。
只有化学退磁是逐步发生的，直接影响磁钢的使用寿命。
磁钢的化学失效主要源于磁钢中的稀有金属和氢元素的化学反应，从而使磁钢失效。
在空气中存在的氢气以及在潮湿状态下存在的氢离子与磁钢接触，是造成磁钢失效的主要原因。
5.2.2 磁钢的化学失效及其解决方法：
要想解决磁钢长期化学失效的问题，首要的是要做好磁钢的防护。
磁钢在出厂前已经根据设计的防护要求，做好了防护层。
在保证磁钢防护层完好的情况下，是可以保证磁钢的使用寿命。
可是如何保证磁钢在装配过程中保护层不受损伤，是工程上要解决的主要问题。
目前，在大型永磁电机中，还无法实现转子整体充磁。
普遍采用先充磁后装配的工艺方法。
使用这种方法时，尽管采用工装或专用设备，但由于磁钢强大的电磁吸力，无法绝对保证磁钢保护层不被划伤。
针对以上情况我们主要采用如下方法，解决磁钢保护层在装配中的划伤问题。
结合电机设计中减少高次谐波在磁钢中的涡流损耗，采用冲叠一体的工艺方法，用矽钢片制造磁钢盒，使磁钢在不充磁状态下与磁钢盒进行装配，用环氧漆整体灌封后进行充磁。
这样既保证了磁钢保护层不被划伤，又进行了二次保护，进一步加强了磁钢的固定。
使得在下一步的磁极装配中，磁钢的保护层不与任何接触面产生滑动摩擦，避免磁钢保护层的划伤。
具体工艺过程见图1和图2：
1
2
图1
1. 冲叠一体的磁钢盒
2. 未充磁的磁钢
图2 磁钢嵌入磁钢盒
将图1中所示的未充磁的磁钢，按照设计要求，安装到已经冲叠为一体的磁钢盒内，组成磁极。
安装完毕后，用环氧漆将磁极整体灌封。
最后进行充磁。
5.2.3 结论
通过以上工艺处理的磁极，经过试验证明，磁钢的保护层完好。
可以防止电机产生化学退磁。
同时这种装配结构还可以方便的进行永磁电机转子磁极的更换。
经过在湘电2MW永磁直驱风力发电系统中使用，效果良好。
5.3 定位阻力矩
永磁电机由于转子上有磁钢，因此本身有一定的阻力矩。
作为直驱风力发电机，此参数直接影响系统的起动风速。
我们通过改变槽数和等效极弧系数，通过有限源磁场分析、计算满足整机要求。
电机三维电磁场分析模型
齿槽转矩曲线
5.4 减小转子谐波损耗
结合磁钢的防护，将硅钢片冲叠一体的工艺方法制造成磁钢盒，然后将磁钢安装到磁钢盒中，使磁钢磁路在磁钢盒中形成回路，此方法有效减少谐波损耗。
经试验，转子温度较低；通过对转子谐波损耗的分析，该结构有效的减小了转子的谐波损耗。
磁钢盒如下图。
5.5 主要工艺研究
5.5.1 定子热套工艺
1）由于电机的散热方式为自然风表面冷却，因此机壳和定子铁心外圆接触的面积越大，电机散热的效果越佳。
由此，工艺要保证电机机壳和定子铁心的外圆的加工精度。
2）选用合理过盈量，可以保证电机的最大扭矩。
3）根据电机选用的过盈量，对机壳和定子铁心的变形量进行校算，得出电机机壳和定子铁心的变形量小于0.3mm。
●有限元模型
●等效应力
●接触面压力
热套温度210℃。
结论：经过有限元分析，机壳和定子铁心的过盈量满足输出力矩的要求；机壳和定子铁心的变形量小于0.3mm，不会影响电机性能。
5.5.2 定子真空压力浸
电机定子铁心的体积大，在浸渍过程中，存在定子铁心槽内挂漆量不足的问题，这将影响电机定子的绝缘。
为了保证挂漆量，采用旋转烘胚。
5.5.3 设计转子装配专用工装
由于转子本身的带磁问题，在转子安装到定子上时，装配过程会引起转子与定子的磕碰问题。
磕碰会损坏转子铁心，甚至会破坏磁钢表面防护层，最终将会影响电机的性能和使用寿命。
为了解决这种安装上的磕碰问题，设计专用工具。
6. 结论
本电机方案，无论在设计还是在制造上，均充分考虑了试制时间紧迫的情况。
为最大限度满足市场需求，增大研制的成功率，本方案采用工厂较为成熟的传统结构和工艺。
通过样机的试制，型式试验分析，本电机在性能上均满足了整机对电机的技
试验项目设计值保证值试验值定子绕组相电阻
0.00604 0.0055
15℃(Ω)
额定电流(A) 2×981.5 1854.6
额定电压(V) 660 660
功率角(degree) 38.3 -44.5
额定功率(kW) 2110 2110 2110
效率(%) 95 95 96
功率因数(超前) 0.98 0.97 0.972
额定转速(r/min) 22.5 22.5 22.5
定子绕组温升(K) 105 74.13
基波空载电压(V) 630 650.9
波形畸变率(%) 0.463 5 0.353
齿槽力矩(N.m) 3657 6000 5401
噪声功率级[dB(A)] 107 98.77
最大振动值(mm/s) 2.8 1.5
在随后的风场测试和运行中，电机能满足整机对其的技术要求和设计要求，效果良好。
