直驱式风力发电机概述

Direct-Drive Wind Generator Overview

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。图1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。

图1--齿轮箱增速的水平轴风力发电机组

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，目前风力机用的直驱式发电机主要采用多极构造，有多极内转子结构与多极外转子结构等，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式结构与盘式结构两种，轴式结构的磁场方向为径向气隙磁通，又分为内转子、外转子等；盘式结构的磁场方向为轴向气隙磁通，又分为中间转子、中间定子、多盘式等；近年来新型的双凸极发电机与开关磁阻发电机也在永磁直驱式发电机得到应用，新型的横向定子磁通永磁发电机正在研发推广中。

图2是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。其结构与水轮发电机相似，定子上有三相绕组，转子则由多个永久磁铁组成凸极结构，有关具体结构见“永磁内转子直驱式风力发电机组”课件。

图2--内转子直驱式风力发电机组

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，由固定在外磁軛内圆面上的多个永久磁铁组成内凸极结构，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，图3是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

图3--外转子永磁直驱式风力发电机

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，图4是一个中间定子直驱式风力发电机组的组结构示意图。

图4--盘式永磁直驱式风力发电机

下面请观看盘式永磁直驱式风力发电机的旋转动画

盘式永磁直驱式风力发电机3D动画

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。

在垂直轴风力机中也广泛使用直驱与半直驱发电机，较多采用盘式永磁直驱式风力发电机，有关内容请到“直驱式垂直轴风力发电机”课件观看。

在多极式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。