【摘　要】　文章分析了小型风能发电装置用交流永磁发电机设计中的特殊性，着重讨论了该发电机分数槽绕组、起动阻转矩及发电机与风力机匹配等问题。
1　引　言
　　人们曾使用过直流发电机、电磁式交流发电机、爪极式发电机、磁阻式发电机以及感应子式发电机等用于小型风能发电装置。随着永磁材料的技术发展，永磁材料磁能积大大提高，目前主要使用永磁发电机。该类电机不论从电气性能上，还是在安全可靠性上讲，都优于前几类发电机。由于该类发电机的应用场所与一般发电机不同，其技术要求有其特殊性，在性能上又必须与风力机有良好的匹配，因此，就该类发电机中的几个问题进行一些分析、探讨。

2　技术要求
　　图1为小型风能发电装置的原理图，风驱动风轮旋转，将风能转为机械能，风轮带动发电机旋转，将机械能转化为电能，整流后输出。该类发电机的设计，首先要选择发电机的型式和整流线路；确定计算的整流功率，额定功率、电压、转速等。对它的主要技术要求为：

　　(1)额定输出功率P_N(W)；(2)额定输出电压(直流)U_N(V)；(3)额定转速N_N(r／min);(4)发电机效率η();(5)起动阻转矩T_N(N^.m)；(6)在65额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压；(7)在150额定转速下，发电机在额定电压下应能过载运行2min；(8)发电机在空载情况下，应能承受2倍额定转速，历时2min，转子结构应不发生损坏及有害变形；(9)发电机应能防雨雪，防沙及防雷。
　　除此之外，还应符合一般电机的绝缘、耐压、机械强度等技术要求。
　　技术要求中(5)、(6)、(7)、(8)是风力发电机的特殊要求，下面将分别进行分析。

3　电磁负荷的选择
　　近代电机制造的实践和电机长期运行的经验大致给出了设计电机的线负荷A_s和磁负荷B_δ的范围。当A_s和B_δ的乘积相同时，则A_s和B_δ之间的比值决定着发电机的不同参数，力能指标和质量。当B_δ大而A_s小时发电机为富铁型，而当A_s大而B_δ小时发电机为富铜型。
　　电机电负荷的大小以电机绕组的电流密度j(A／mm²)及线负荷A_s(A/cm)来衡量，电负荷越大，铜损越大。对于小功率的风力发电机，一般为低压大电流。特别是1kW以下发电机大多采用24、36V或48V(整流后的直流)，这种电机的额定电流较大。对于1至10kW的小功率发电机，也不能取过高的额定输出电压。因为该类发电机主要采用蓄电池储能，电压高，必须用更多的蓄电池，提高了整机的成本，一般客户难以接受。总之，小功率风力发电机线负荷比较高，属富铜型发电机，电机的铜损大，约占电机总损耗的70左右，这是客观情况。此外，发电机的输出功率是随风速增加而增加的，如图2所示。发电机功率提高，发热增加，但随着风速增加，散热条件大大改善，因此，对于该类发电机不应格守一般电机选取A_s的标准，可选取较高A_s值，既需要又允许。例如一般小功率电机A_s为60至80A/cm；而该类发电机的A_s可取为100至150A/cm；而采用高效喷油冷却的航空发电机A_s可达300A／cm左右。因此A_s的选择要综合考虑电机损耗、效率、散热和应用场合，取得一合理数值。

　　磁负荷B_δ的选择，可完全依照电机理论的一般原则，这里不再赘叙。

4　定　子
4.1　定子齿槽
　　基于该类发电机的电负荷较高，铜损大，在设计发电机时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。这一点不是每个厂家都考虑到的。往往由于定子绕组导线较细，在发电机初始运行时可以达到设计要求。发电机运行2至3小时后，温升急骤上升，输出功率也迅速下降，从而使额定输出功率达不到要求。
4.2　定子绕组
　　小功率风力发电机的技术要求(5)中引入了发电机起动阻转矩的概念，这是因为小型风能发电装置一般转速在几十至几百转，为了减少环节，降低成本和提高可靠性，该装置的风轮直接耦合在发电机轴上。这就要求尽量减小由发电机齿槽效应产生的阻转矩，使得风轮在风速较低时(2至3m/s)，能够迅速起动，尽快发电。为此，国标GB10760.1－89提出了要求，见下表。

功率(W)501002003005001000最大起动阻转矩(Nm)0.200.300.350.501.201.50　　从电机的理论上讲，采用定子斜槽，转子斜极及定子分数槽绕组都可以降低齿槽效应引起的阻转矩，满足技术要求。但是实践证明分数槽绕组是降低阻转矩的最有效办法。
　　采用定子斜槽，工艺上比较容易实现，但效果不明显，而且如果斜槽距离太大，发电机的电气性能会受影响；采用转子斜极，将转子磁钢、磁极扭到合理的尺寸，工艺上难度较大，而效果也不明显；因此，大多采用分数槽绕组。
　　分数槽绕组：
　　每极每相槽数q=Z_s/2mp=a c/d
　　每极槽数　　Q=Z_s/2p=A C/D
式中：Z_s为定子槽数；m不绕组相数；p为发电机极对数；A、a为整数；c/d、C/D为不可约分的分数。