1引言

人們曾使用過直流發(fā)電機(jī)、電磁式交流發(fā)電機(jī)、爪極式發(fā)電機(jī)、磁阻式發(fā)電機(jī)以及感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)等用于小型風(fēng)能發(fā)電裝置。隨著永磁材料的技術(shù)發(fā)展，永磁材料磁能積大大提高，目前主要使用永磁發(fā)電機(jī)。該類電機(jī)不論從電氣性能上，還是在安全可靠性上講，都優(yōu)于前幾類發(fā)電機(jī)。由于該類發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場所與一般發(fā)電機(jī)不同，其技術(shù)要求有其特殊性，在性能上又必須與風(fēng)力機(jī)有良好的匹配，因此，就該類發(fā)電機(jī)中的幾個(gè)問題進(jìn)行一些分析、探討。

2技術(shù)要求

圖1為小型風(fēng)能發(fā)電裝置的原理圖，風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，整流后輸出。該類發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，首先要選擇發(fā)電機(jī)的型式和整流線路；確定計(jì)算的整流功率，額定功率、電壓、轉(zhuǎn)速等。對它的主要技術(shù)要求為：

（1）額定輸出功率PN（W）；（2）額定輸出電壓（直流）UN（V）；（3）額定轉(zhuǎn)速NN（r／min）;（4）發(fā)電機(jī)效率η（）;（5）起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩TN（N.m）；（6）在65額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)的空載電壓應(yīng)不低于額定電壓；（7）在150額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)在額定電壓下應(yīng)能過載運(yùn)行2min；（8）發(fā)電機(jī)在空載情況下，應(yīng)能承受2倍額定轉(zhuǎn)速，歷時(shí)2min，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)不發(fā)生損壞及有害變形；（9）發(fā)電機(jī)應(yīng)能防雨雪，防沙及防雷。

除此之外，還應(yīng)符合一般電機(jī)的絕緣、耐壓、機(jī)械強(qiáng)度等技術(shù)要求。

技術(shù)要求中（5）、（6）、（7）、（8）是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特殊要求，下面將分別進(jìn)行分析。

3電磁負(fù)荷的選擇

近代電機(jī)制造的實(shí)踐和電機(jī)長期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)大致給出了設(shè)計(jì)電機(jī)的線負(fù)荷As和磁負(fù)荷Bδ的范圍。當(dāng)As和Bδ的乘積相同時(shí)，則As和Bδ之間的比值決定著發(fā)電機(jī)的不同參數(shù)，力能指標(biāo)和質(zhì)量。當(dāng)Bδ大而As小時(shí)發(fā)電機(jī)為富鐵型，而當(dāng)As大而Bδ小時(shí)發(fā)電機(jī)為富銅型。

電機(jī)電負(fù)荷的大小以電機(jī)繞組的電流密度j（A／mm2）及線負(fù)荷As（A/cm）來衡量，電負(fù)荷越大，銅損越大。對于小功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般為低壓大電流。特別是1kW以下發(fā)電機(jī)大多采用24、36V或48V（整流后的直流），這種電機(jī)的額定電流較大。對于1至10kW的小功率發(fā)電機(jī)，也不能取過高的額定輸出電壓。因?yàn)樵擃惏l(fā)電機(jī)主要采用蓄電池儲(chǔ)能，電壓高，必須用更多的蓄電池，提高了整機(jī)的成本，一般客戶難以接受?？傊」β曙L(fēng)力發(fā)電機(jī)線負(fù)荷比較高，屬富銅型發(fā)電機(jī)，電機(jī)的銅損大，約占電機(jī)總損耗的70左右，這是客觀情況。此外，發(fā)電機(jī)的輸出功率是隨風(fēng)速增加而增加的，如圖2所示。發(fā)電機(jī)功率提高，發(fā)熱增加，但隨著風(fēng)速增加，散熱條件大大改善，因此，對于該類發(fā)電機(jī)不應(yīng)格守一般電機(jī)選取As的標(biāo)準(zhǔn)，可選取較高As值，既需要又允許。例如一般小功率電機(jī)As為60至80A/cm；而該類發(fā)電機(jī)的As可取為100至150A/cm；而采用高效噴油冷卻的航空發(fā)電機(jī)As可達(dá)300A／cm左右。因此As的選擇要綜合考慮電機(jī)損耗、效率、散熱和應(yīng)用場合，取得一合理數(shù)值。

磁負(fù)荷Bδ的選擇，可完全依照電機(jī)理論的一般原則，這里不再贅敘。

4定子

4.1定子齒槽

基于該類發(fā)電機(jī)的電負(fù)荷較高，銅損大，在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，在保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度及磁通密度允許的情況下，應(yīng)盡量減少齒寬和軛厚，以擴(kuò)大槽面積，增大定子繞組導(dǎo)線面積，降低銅耗，提高發(fā)電機(jī)的效率。這一點(diǎn)不是每個(gè)廠家都考慮到的。往往由于定子繞組導(dǎo)線較細(xì)，在發(fā)電機(jī)初始運(yùn)行時(shí)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。發(fā)電機(jī)運(yùn)行2至3小時(shí)后，溫升急驟上升，輸出功率也迅速下降，從而使額定輸出功率達(dá)不到要求。

4.2定子繞組

小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求（5）中引入了發(fā)電機(jī)起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩的概念，這是因?yàn)樾⌒惋L(fēng)能發(fā)電裝置一般轉(zhuǎn)速在幾十至幾百轉(zhuǎn)，為了減少環(huán)節(jié)，降低成本和提高可靠性，該裝置的風(fēng)輪直接耦合在發(fā)電機(jī)軸上。這就要求盡量減小由發(fā)電機(jī)齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩，使得風(fēng)輪在風(fēng)速較低時(shí)（2至3m/s），能夠迅速起動(dòng)，盡快發(fā)電。為此，國標(biāo)GB10760.1－89提出了要求，見下表。

功率（W）501002003005001000最大起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩（Nm）0.200.300.350.501.201.50

從電機(jī)的理論上講，采用定子斜槽，轉(zhuǎn)子斜極及定子分?jǐn)?shù)槽繞組都可以降低齒槽效應(yīng)引起的阻轉(zhuǎn)矩，滿足技術(shù)要求。但是實(shí)踐證明分?jǐn)?shù)槽繞組是降低阻轉(zhuǎn)矩的最有效辦法。

采用定子斜槽，工藝上比較容易實(shí)現(xiàn)，但效果不明顯，而且如果斜槽距離太大，發(fā)電機(jī)的電氣性能會(huì)受影響；采用轉(zhuǎn)子斜極，將轉(zhuǎn)子磁鋼、磁極扭到合理的尺寸，工藝上難度較大，而效果也不明顯；因此，大多采用分?jǐn)?shù)槽繞組。

分?jǐn)?shù)槽繞組：

每極每相槽數(shù)q=Zs/2mp=ac/d

每極槽數(shù)Q=Zs/2p=AC/D

式中：Zs為定子槽數(shù)；m不繞組相數(shù)；p為發(fā)電機(jī)極對數(shù)；A、a為整數(shù)；c/d、C/D為不可約分的分?jǐn)?shù)。

理論和實(shí)踐證明，D越大，發(fā)電機(jī)的起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩越?。?］。此外，隨著q值的增加，負(fù)序阻抗減小，漏抗降低，這是我們希望的。但是同時(shí)，過份增大q值，發(fā)電機(jī)抑制高次諧波的能力降低，又是該避免的。因此，只要滿足國標(biāo)規(guī)定的阻轉(zhuǎn)矩大小要求，不是q值越大越好。

我們計(jì)算和實(shí)際測試了幾種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從中可以判定齒極配合的情況，見圖3。

5轉(zhuǎn)子

小型風(fēng)能發(fā)電裝置的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速每分鐘為幾十至幾百轉(zhuǎn)，其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合在風(fēng)輪上。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了發(fā)電機(jī)為多極低速發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子一般采用鐵氧體和釹鐵硼磁鋼，切向結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)必須牢固，能經(jīng)受風(fēng)速急驟變化的沖擊，而不發(fā)生破壞、損傷和變形。這正如技術(shù)要求（7）、（8）中明確指出的。轉(zhuǎn)子的問題將專文討論。

6特性

6.1直流輸出電壓

該發(fā)電機(jī)輸出交流電壓整流后向蓄電池充電。國標(biāo)規(guī)定，其整流后的電壓應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)12V蓄電池高2V，即發(fā)電機(jī)輸出電壓為14V，28V，42V，56V……。但實(shí)踐證明，該規(guī)定對于風(fēng)力資源非常豐富的地區(qū)是可行的，而對于風(fēng)力資源一般，但可以利用的地區(qū)是偏低的，有人曾在江蘇內(nèi)湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖地區(qū)，用輸出42V（直流）的發(fā)電機(jī)接在二只串聯(lián)蓄電池上（24V）效果很好，并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重問題。因此，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)該了解風(fēng)力機(jī)使用地區(qū)的風(fēng)源情況，一般應(yīng)高于4V以上，以便充分利用可貴的風(fēng)力資源。

6.2輸出特性

輸出功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系是一般發(fā)電機(jī)不要求的，而對于這類發(fā)電機(jī)是重要的。圖2為DYF－600型發(fā)電機(jī)的實(shí)測特性。由于特定的要求，風(fēng)力機(jī)對發(fā)電機(jī)要求在低風(fēng)速時(shí)能夠發(fā)電，而在額定風(fēng)速以上輸出特性盡量軟一些。因此設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)應(yīng)盡量使磁路飽合些，不致因風(fēng)力機(jī)的經(jīng)常超速，而發(fā)電機(jī)輸出功率急驟上升，造成對充電器、逆變器的過大沖擊和發(fā)電機(jī)的過熱，從而損壞。

6.3風(fēng)力機(jī)特性與發(fā)電機(jī)輸出特性的匹配

（1）風(fēng)力機(jī)起動(dòng)后，要求發(fā)電機(jī)盡快發(fā)電，即在低風(fēng)速范圍內(nèi)能捕獲風(fēng)能。這正如技術(shù)要求（6）所要求的，發(fā)電機(jī)的起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩盡量小些，使風(fēng)力機(jī)盡早切入運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）希望發(fā)電機(jī)P=f（n）在額定點(diǎn)前為二次拋物線關(guān)系，以利用發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的匹配，獲取最佳風(fēng)能。