摘　要：对小型交流永磁风力发电机径向转子结构和切向转子结构进行了分析，指出切向转子结构的优势。同时对转子的固紧工艺作了介绍。
关键词：风力发电机　永磁　交流

1 引言

　　小型交流永磁风力发电机是永磁同步发电机的一种，其运行原理与电励磁同步发电机相同。由于用永久磁钢取代励磁线圈励磁，永磁同步发电机结构简单，加工及装配比较容易。一般小型永磁风力发电机的励磁磁钢安置在转子上。由于这类发电机省掉了一般同步发电机的电刷、滑环和励磁绕组，从而节约了成本。特别是小型风力发电机组的发电机直接与风轮耦合，安置于机组顶端的空中，无需经常对电刷和滑环维护，提高了机组运行的可靠性。研究发电机的转子是提高发电机性能的重要途径之一。

2 转子结构型式分析

　　小型交流永磁风力发电机按工作主磁场方向不同，主要有径向磁场型式和切向磁场型式两种。如图1、2所示。

图1　径向转子结构

图2　切向转子结构

　　一般小型风力发电机的负载简单的看作电阻性，在转速不变时，发电机的输出功率和发电机的气隙磁密的平方成正比，即：

　　　　(1)

式中：P₂—发电机输出功率(W)；
　　　U—发电机输出电压(V)；
　　　E—发电机电势(V)；
　　　B_δ—发电机气隙密度(T)；
　　　R_F—发电机负载电阻(Ω)。
　　因此研究气隙磁场对发电机的技术指标和经济指标非常重要。
2.1 径向磁场型式
　　一般10kW以下小型风力发电机的运行速度比较低，直接将励磁磁钢粘结在转子磁轭上。为了减轻转子的整体重量，可以在转子磁轭上开减轻孔（图1)。
　　从图1的主磁路可以看出，径向磁场型式是一对极的两块磁钢串联。仅有一个磁钢截面积对每一个气隙提供磁通，而由两个磁钢长度对发电机提供磁势。
　　从图3可以看出转子磁钢如选用铁氧体材料，其矫顽力H_c相对比较高，因此具有较强的抗去磁能力。但是，其剩余磁密B_r较小，发电机能获得的气隙磁密B_δ较小。显然制造出的发电机体积会大。如选用高磁能积的钕铁硼材料，其B_r、H_c都很高，不存在上述问题，发电机体积小，性能优良。

图3　磁钢的去磁曲线

　　该类结构型式的发电机转子结构简单，加工容易，重量轻。设计和制造经验证明，小型交流风力发电机在1kW以上选用钕铁硼磁钢材料的径向结构型式可以满足经济、技术指标的要求。
2．2 切向磁场型式
　　如图2所示，这类结构是把磁钢镶嵌在转子磁极中间，磁钢与磁极固定在隔磁衬套上。磁极由导磁性能良好的铁磁材料（如软铁等）制成，衬套由非磁性材料制成（如铝、工程塑料等），用以隔断磁极、磁钢与转子的磁通路，减小漏磁。
　　从图2可以看出，它的结构是一对磁极的两块磁极并联，由两块磁钢向每个气隙提供磁通，这样发电机的气除磁密B_δ高，制造出的发电机体积小。切向磁场型式的转子整体结构比较复杂，除机械加工量比较大外，它的拼装必须用专用设备，尤其将磁钢镶嵌到磁极中间要有专用工具。转子拼装好后，在转子端部将磁钢固紧，以免造成转子（对定子）的扫膛现象，甚至卡死，发电机烧坏现象。其固紧立法将在以下详述。
　　切向结构型式，在百瓦级小型交流永磁风力发电机中，选用铁氧体磁钢有诸多成功的设计和制造实例。
2.3 两者比较
　　从漏磁方面讲，径向磁场结构型式的转子漏磁导相对气隙磁导比较小，所以漏磁系数较小；而切向磁场结构型式的磁钢、磁极之间（端部两侧和底面）的漏磁导相对气隙磁导较大，转子漏磁大，从而减小了有效磁通的利用。
　　在满足性能指标的前提下，转子型式及磁钢的选择必须考虑到其经济性，百瓦级的小型风力发电机转子多采用切向结构，磁钢选用铁氧体，而千瓦级的小型风力发电机如选用铁氧体作转子材料，制造出的发电机体积大，比较重，就风力发电机组总体而言并不经济。因为它需要更牢固的塔架等支撑机构，加大了成本。因此选用经济、实用的钕铁硼为多，转子结构型式兼而有之，选用何种转子结构型式要看设计人员的综合考虑，得出合理的结构。

3 切向磁场型式的优势

　　在百瓦级的发电机中转子采用铁氧体材料作磁钢，很难用径向磁场型式制造出合理的发电机，而千瓦级的发电机中转子材料使用铁铁硼磁钢，两种结构型式都可以设计出风力发电机。但是，从下面的粗略分析可以看出径向结构的明显优势。
　　令磁极面积为l_m×b_ρ。图1径向结构的气隙磁密为：

　　　　(2)

　　由图2切向结构可以看出，磁通是由左右两个方向气隙集聚，其气隙磁通密度应为：

　　　　(3)

式中：B_r—磁钢剩余磁密（T）；
　　　h_m—切向结构磁钢高度（mm）；
　　　l_m—磁钢轴向长度（mm）；
　　　b_m—磁钢厚度（mm）；
　　　b_ρ—磁极弧长（mm）；
　　　σ—漏磁系数，σ=1.25；
　　　δ—气隙长度（mm）；
　　　ξ—经验修正系数。

令

h_m≈b_ρ

式(3)/式(2)为

B_δ2/B_δ1=2/1.25≌1.6

　　显然，使用同等尺寸的磁钢，切向结构为径向结构磁路气隙磁密的1.6倍，这就提高了磁钢的利用程度，从而缩小了发电机的体积。
　　当然，发电机的设计和制造是由诸多因素决定的，这种分析是很粗糙的。但是，在设计和制造小型风力发电机特定情况下，实践证明上述分析是可靠的。

4 转子的固紧工艺

　　由于风力发电机组运行的自然条件恶劣，特别是小型风力发电机组风轮直接与发电机耦合，风轮随自然风速急剧、频繁地变化，常常对发电机的轴和转子产生强烈的冲击。同时，发电机组的振动也影响转子的结构。上述因素常使发电机轴产生弯曲、断裂和转子磁钢、磁极的逸出、松动，造成定子和转子相互擦碰，即所谓的“扫膛”现象。这类问题在生产初期或多或少都出现过。因此，讨论转子的固紧工艺十分必要。由于径向转子结构型式的转子磁钢不用铁氧体，而用钕铁硼，形状为薄形瓦片（如图3），很难在端部固紧，主要采用高强度粘结剂粘结。下面介绍两种切向结构转子的固紧方法。
4．1 用不锈钢圆环将转子固紧
　　小型风力发电机是多极的，其轴向尺寸比较短，只要将转子两端固紧，整个转子就可以拼成一个牢固的整体。如图4所示，将扇形磁极两端做出台阶，用工装夹具将转子拼装、粘结成一体后，选用市售尺寸合适的不锈钢管，切割成宽5-10mm的圆环，用热套的方法将圆环压入台阶，转子就可以固紧，最后将转子外圆加工（车或磨）到所需尺寸。

图4

4．2 用卡环将转子固紧
　　如图5所示，将磁极的两端面做出燕尾槽，用黄铜板或不锈钢板做好卡环，在拼装、粘结好转子后，将卡环压入磁极端面，使卡环涨开，压平，转子就固紧了。

图5

5 实例

　　下表列出了600W发电机用铁氧体作磁钢切向转子结构及1000W发电机用钕铁硼作磁钢切向、径向两种转子结构的技术数据。

从上表可以看出，条件基本相同情况下，转子切向结构磁路的发电机体积小、重量轻。■ 作者单位：郭继高（南京航空航天大学，南京 210016） 参考文献： ［1］东方电机厂.永磁发电机设计原理 ［2］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，1997年 ［3］江苏南航技术开发公司.DYF型风力发电机设计［M］.1993年 ［4］宋后定，陈培林.永磁材料及其应用［M］.1984年7月