1引言

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

2技術要求

圖1為小型風能發電裝置的原理圖，風驅動風輪旋轉，將風能轉為機械能，風輪帶動發電機旋轉，將機械能轉化為電能，整流后輸出。該類發電機的設計，首先要選擇發電機的型式和整流線路；確定計算的整流功率，額定功率、電壓、轉速等。對它的主要技術要求為：

（1）額定輸出功率PN（W）；（2）額定輸出電壓（直流）UN（V）；（3）額定轉速NN（r／min）;（4）發電機效率η（）;（5）起動阻轉矩TN（N.m）；（6）在65額定轉速下，發電機的空載電壓應不低于額定電壓；（7）在150額定轉速下，發電機在額定電壓下應能過載運行2min；（8）發電機在空載情況下，應能承受2倍額定轉速，歷時2min，轉子結構應不發生損壞及有害變形；（9）發電機應能防雨雪，防沙及防雷。

除此之外，還應符合一般電機的絕緣、耐壓、機械強度等技術要求。

技術要求中（5）、（6）、（7）、（8）是風力發電機的特殊要求，下面將分別進行分析。

3電磁負荷的選擇

近代電機制造的實踐和電機長期運行的經驗大致給出了設計電機的線負荷As和磁負荷Bδ的范圍。當As和Bδ的乘積相同時，則As和Bδ之間的比值決定著發電機的不同參數，力能指標和質量。當Bδ大而As小時發電機為富鐵型，而當As大而Bδ小時發電機為富銅型。

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

磁負荷Bδ的選擇，可完全依照電機理論的一般原則，這里不再贅敘。

4定子

4.1定子齒槽

基于該類發電機的電負荷較高，銅損大，在設計發電機時，在保證足夠的機械強度及磁通密度允許的情況下，應盡量減少齒寬和軛厚，以擴大槽面積，增大定子繞組導線面積，降低銅耗，提高發電機的效率。這一點不是每個廠家都考慮到的。往往由于定子繞組導線較細，在發電機初始運行時可以達到設計要求。發電機運行2至3小時后，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不到要求。

4.2定子繞組

小功率風力發電機的技術要求（5）中引入了發電機起動阻轉矩的概念，這是因為小型風能發電裝置一般轉速在幾十至幾百轉，為了減少環節，降低成本和提高可靠性，該裝置的風輪直接耦合在發電機軸上。這就要求盡量減小由發電機齒槽效應產生的阻轉矩，使得風輪在風速較低時（2至3m/s），能夠迅速起動，盡快發電。為此，國標GB10760.1－89提出了要求，見下表。

功率（W）501002003005001000最大起動阻轉矩（Nm）0.200.300.350.501.201.50

從電機的理論上講，采用定子斜槽，轉子斜極及定子分數槽繞組都可以降低齒槽效應引起的阻轉矩，滿足技術要求。但是實踐證明分數槽繞組是降低阻轉矩的最有效辦法。

采用定子斜槽，工藝上比較容易實現，但效果不明顯，而且如果斜槽距離太大，發電機的電氣性能會受影響；采用轉子斜極，將轉子磁鋼、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，大多采用分數槽繞組。

分數槽繞組：

每極每相槽數q=Zs/2mp=ac/d

每極槽數Q=Zs/2p=AC/D

式中：Zs為定子槽數；m不繞組相數；p為發電機極對數；A、a為整數；c/d、C/D為不可約分的分數。

理論和實踐證明，D越大，發電機的起動阻轉矩越小［5］。此外，隨著q值的增加，負序阻抗減小，漏抗降低，這是我們希望的。但是同時，過份增大q值，發電機抑制高次諧波的能力降低，又是該避免的。因此，只要滿足國標規定的阻轉矩大小要求，不是q值越大越好。

我們計算和實際測試了幾種發電機的轉矩，從中可以判定齒極配合的情況，見圖3。

5轉子

小型風能發電裝置的風輪轉速每分鐘為幾十至幾百轉，其發電機轉子直接耦合在風輪上。風輪轉速決定了發電機為多極低速發電機；轉子一般采用鐵氧體和釹鐵硼磁鋼，切向結構；轉子結構必須牢固，能經受風速急驟變化的沖擊，而不發生破壞、損傷和變形。這正如技術要求（7）、（8）中明確指出的。轉子的問題將專文討論。

6特性

6.1直流輸出電壓

該發電機輸出交流電壓整流后向蓄電池充電。國標規定，其整流后的電壓應比標準12V蓄電池高2V，即發電機輸出電壓為14V，28V，42V，56V……。但實踐證明，該規定對于風力資源非常豐富的地區是可行的，而對于風力資源一般，但可以利用的地區是偏低的，有人曾在江蘇內湖圍網養殖地區，用輸出42V（直流）的發電機接在二只串聯蓄電池上（24V）效果很好，并沒有出現嚴重問題。因此，設計發電機時，應該了解風力機使用地區的風源情況，一般應高于4V以上，以便充分利用可貴的風力資源。

6.2輸出特性

輸出功率P與轉速n的關系是一般發電機不要求的，而對于這類發電機是重要的。圖2為DYF－600型發電機的實測特性。由于特定的要求，風力機對發電機要求在低風速時能夠發電，而在額定風速以上輸出特性盡量軟一些。因此設計發電機時應盡量使磁路飽合些，不致因風力機的經常超速，而發電機輸出功率急驟上升，造成對充電器、逆變器的過大沖擊和發電機的過熱，從而損壞。

6.3風力機特性與發電機輸出特性的匹配

（1）風力機起動后，要求發電機盡快發電，即在低風速范圍內能捕獲風能。這正如技術要求（6）所要求的，發電機的起動阻轉矩盡量小些，使風力機盡早切入運轉。

（2）希望發電機P=f（n）在額定點前為二次拋物線關系，以利用發電機與風力機的匹配，獲取最佳風能。