永磁技术在大型风力发电机组中的研究与应用

张世福，李斐斐，何海涛

(北京金风科创风电设备有限公司，北京 100176)

近年来，永磁电机成为了电机行业关注的热点并得到了快速的发展，越来越多的应用于风力发电领域，可以说进入了大发展时期[1]。永磁风力发电机组和双馈风力发电机组是变速恒频机组的两个重要方向。双馈风力发电机组是高速齿轮箱和双馈异步发电机的传动技术路线，国内远景能源、浙江运达、三一风电采用此技术路线。永磁风力发电机组具有直驱、半直驱和高速传动系统这三种技术路线，Vestas、GE、SGRE和金风科技等采用此技术路线。

国内永磁机组发展呈现出良好的发展态势。2005年国内首台1.2 MW直驱永磁机组在达坂城完成安装，拉开了永磁电机在风力发电机中的使用序幕。2008年北京官厅奥运项目——1.5 MW直驱永磁机组完成批量化应用。2010年10月,湘电风能研制的2 MW和5 MW直驱永磁发电机组成功下线。2019年9月，金风科技研制的8 MW直驱永磁风力发电机成功下线。与此同时，东方电气研制的10 MW直驱永磁风力发电机在福建三峡产业园成功下线。如图1～图3所示。

图1 湘电风能 XE128-5 MW配套直驱发电机

图2 金风科技GW175-8.0 MW 机组配套直驱发电机

图3 东方电气10 MW机组配套直驱发电机

国外永磁机组发展领先于国内。最初Vestas陆上和海上风电机组采用双馈技术路线，在2014年切换为永磁半直驱的技术路线，且陆续开发了V150-6.0 MW系列机组、V164-9.5 MW系列机组，并预计于2022年完成V236-15 MW半直驱永磁风力发电机组样机的安装。2019年11月，GE Haliade-X 12 MW样机成功发电。2020年5月，西门子歌美飒推出 SG14-222直驱永磁风机，容量达到14 MW，样机于2021年完成安装。图4～图6为上述三家公司开发的永磁直风力发电机。

图4 V164-9.5 MW机组配套半直驱发电机

图5 GE Haliade-X 12 MW机组配套永磁发电机

图6 SGRE 14-222 DD机组配套永磁发电机

从GE、SGRE、Vestas和金风科技等国内外主要风力发电机厂商的技术路线来看，大功率风力发电组正在向永磁风力发电机和全功率变流技术转变，并将成为海上风力发电机组的技术发展趋势，促进永磁技术在大型风电机组得到更为广泛应用。

金风科技在引进德国Vensys直驱永磁技术后，在国内率先开展了直驱永磁机组大规模开发及应用。相比直驱电励磁风力发电机组，直驱永磁机组在尺寸和质量上相对较小，结构简单；
永磁体固定在转子内表面，便于安装；
采用外转子结构、自然空冷的通风设计，大大提高了散热效果，也省去了冷却设备，整机具有较高的效率[2]。

图7为1.5 MW风机安装图。随着1.5 MW机组的运行稳定性逐步提高，机组的高可利用率和低故障率被业主广泛认可，直驱永磁技术路线的可行性得到了有效验证。针对磁极系统的可靠性及永磁体磁性能的稳定性，多年来国内开展了大量的研究与验证工作，形成了风力发电机用烧结钕铁硼磁体行业标准。目前，已具备功率10 MW及以下风力发电机的批量化自主设计研发和制造能力。

图7 1.5 MW风机安装图

风力发电机要求具有20年或25年的使用寿命，作为户外型发电机，磁极系统承受盐雾、潮湿、冷热温差大等条件的环境影响，要求其磁性能无明显衰减，永磁体无明显腐蚀，整个寿命周期内要保持可靠的性能。因而，高可靠的磁极系统设计就成为永磁发电机能否长期可靠运行的关键。

2.1 磁极系统的可靠固定

磁极系统的可靠固定作为永磁电机运行的前提条件，需要保证在发电机运行过程和生命周期内，不能够由于电磁力、离心力、疲劳等导致固定松动、结构老化，需采用有效的仿真手段，对磁极固定形式进行可靠性论证。

用于风力发电机领域的永磁体固定方式通常有表贴式和内置式两种[3]。表贴式磁极的永磁体直接面对空气隙，具有加工和安装方便的优点，但永磁体直接承受电枢反应的去磁作用；
内置式磁极的永磁体置于铁心内部，漏磁大，但可以放置较多的永磁体来提高气隙磁密、减小电机的质量和体积[4]。对于低速直驱永磁同步电机，多采用外转子结构形式，永磁体固定通常为表贴式，常采用机械固定加真空覆层灌注的工艺或磁极盒结构，保证永磁体可靠地固定在转子内表面上。

根据发电机的结构布局和传动链的特点，半直驱机组永磁发电机转速通常为400 r/min～650 r/min，运行时磁极不仅受到切向电磁力的作用，还承担着由旋转带来的高速径向离心力作用，两者的叠加效果将会对磁极固定方式的可靠性产生更大的挑战，因此半直驱发电机常采用内置式磁极结构形式，磁极分布形式以“一”字、“V”字或者其他混合形式为主。

2.2 磁极系统可靠防护

钕铁硼永磁体中含有大量的稀土元素钕、铁及硼，其特性是硬而脆。发电机可能会处于恶劣的运行环境中，如盐雾和水汽的侵蚀等，因此永磁体需要具备可靠的防腐能力。这不仅要求在运输、装配过程中具有有效的防腐，防止部件受到腐蚀而导致失效；
同时在发电机运行中具有可靠的防腐镀层，保证永磁体可靠运行在生命周期内。

对于永磁风力发电机而言，永磁材料在使用中最关心的主要是时间稳定性、温度稳定性、化学稳定性、机械稳定性及电磁稳定性。

3.1 时间稳定性

时间稳定性是指永磁材料经过长时间运行后磁性能的变化情况。永磁体磁衰减试验验证，温度对磁衰减的影响非常大，通过在恒定磁场、恒定温度下长期的暴露试验来对永磁体长期的磁衰减进行评估。图8为永磁体在恒温下的磁衰减曲线。

图8 永磁体在恒温下的磁衰减曲线

在110 ℃以下，永磁体经过20年磁衰减仍然非常微小；
在120 ℃以上的温度，磁衰减显著；
在140 ℃以上，磁衰减非常显著。永磁电机在设计过程中应该严格校核永磁体温度情况，选用有效的通风和散热方式，以确保发电机运行在设计范围要求之内。

3.2 温度稳定性

钕铁硼永磁体的居里温度约310 ℃～400 ℃，在居里温度以下，钕铁硼的剩磁随温度升高而降低，其剩磁温度系数α和矫顽力的温度系数β应足够小，才能保证永磁体磁性能的稳定性[5]。图9是永磁体在-45 ℃～100 ℃条件下冷热冲击试验。从第四周期试验开始永磁体的磁通衰减趋于0，即磁性能趋于稳定。

图9 永磁体冷热冲击稳定性

3.3 化学稳定性

所谓化学稳定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蚀程度。烧结钕铁硼磁体是粉末冶金工艺制造、由三个相构成的复合组织，制造过程中磁体表面可能存在一些气孔、氧化相等。空气中的水分就从磁体表面或接近表面的富钕相和气孔处进行腐蚀，基体的腐蚀会直接导致主相减少并降低永磁体的实际性能。

永磁体的耐腐蚀性不仅取决于磁体表面的镀层处理，还取决于基体的耐腐蚀性。通过在永磁体制造过程中添加某些合金元素，采用合适的工艺对磁体表面进行适当的镀层处理，可使磁体获得较好的耐腐蚀性能。图10是永磁体在2个标准大气压、100%相对湿度、120 ℃条件下试验960 h测得的数据。从图10可以看出，960 h后失重m只到1.2 mg/cm2。这说明，永磁体本身的耐腐蚀性能已经达到很高水平。

图10 永磁体失重速率随时间变化图

3.4 机械稳定性

机械稳定性是指永磁材料由于剧烈的机械冲击和振动而失磁。振动失磁是由于剧烈的机械冲击和振动引起永磁体磁畴排列的混乱、微组织的移动变化而导致失磁。其引起的失磁与冲击振动强度以及永磁体的矫顽力有关，矫顽力越大则影响越小。

永磁发电机的机舱振动加速度传感器最大为0.3倍重力加速度，振动频率几十赫兹，且使用的是高矫顽力永磁体，故该方面导致的影响十分微小，通常忽略不计。

试验研究验证：将永磁风力发电机上所用的永磁材料产品，分别在常温、40 ℃～60 ℃、80 ℃～100 ℃、100 ℃～120 ℃等4种温度范围,采用振动频率1 000 Hz振动加速度0.2g、1g、2g、4g、10g,以及振动频率300 Hz 振动加速度6g等6种振动条件下，按GJB 360A—1996 电子及电气元件试验方法进行加速破坏性试验，试验示意图如图11所示。试验结果证明，在机组正常的使用条件下，永磁体不会因振动加速度、振动频率、温度等原因而发生减磁现象，安全裕度较大。

图11 振动中的磁体

3.5 电磁稳定性

电磁稳定性是指永磁材料在反向磁场的冲击下，磁性能保持稳定，反映了永磁材料抗电枢反应去磁能力。永磁风力发电机在运行过程中，永磁体在受到高温、电枢电流、振动等因素影响时，可能会出现局部的退磁、不可逆失磁[6-8]。

在风力发电机组中运行的永磁发电机，可能会由于变流器直流桥、塔架电缆或发电机端环等短路而造成电机短路故障。在电枢绕组发生最严重的短路时，对永磁体产生最为严重的去磁效应。针对最严重的短路情况，永磁电机设计时应充分考虑，留有足够的安全系数[9-10]。

为保证永磁电机电磁稳定性，需要从设计和试验上进行如下技术保证。

(1)设计保证

通过设计合理的磁路拓扑结构、电磁参数、电机温度等，选择磁性能相匹配的永磁材料等技术措施，同时采用场路结合的计算方法，计算永磁体的工作点，特别是评估最大电枢反应的去磁磁场，保证永磁体在退磁曲线上的工作点安全可靠。

(2)试验验证

为了进一步验证电机设计的可靠性，在兆瓦级永磁电机试验台上模拟了数次突然故障，电枢反应去磁磁场峰值达到最大值，对电机及永磁体进行综合考核验证。试验时产生了巨大的轰鸣声和振动，但是电机电磁磁场依然稳定，其相关数据如图12所示。

图12 电机突发故障时的短路电流

通过试验验证可以看出，模拟故障前后发电机空载电压，其基波有效值分别为736.5 V和737.4 V，试验前后两者基本相同，没有明显差别，这也充分说明了该发电机即使在发生突然故障，产生最大电枢反应去磁效应后，未产生永磁体去磁现象，依然可以安全运行。

3.6 现场机组验证

发电机的空载反电动势反映永磁电机磁体的磁性能。为了验证永磁风力发电机所使用的永磁体磁稳定性，同时消除长期以来客户对永磁体的磁性能可靠性的顾虑，针对运行时间最长1.2 MW永磁风力发电机的空载反电动势进行了持续检测，然后同发电机出厂的试验结果进行了对比，测试结果如表1所示。

表1 1.2 MW发电机空载反电动势测试值

1.2 MW永磁风力发电机在风场运行已17年，从现场测试和出厂测试结果的对比来看，在同样转速和同样永磁体温度情况下，测试结果基本一致，证明只要磁极固定和防护可靠、电磁方案设计合理，永磁风力发电机的磁性能在实际使用过程中可以保证长期运行的稳定性和可靠性。

为应对大功率机组的平价市场竞争和新能源汽车的快速发展市场形势，需要从发电机的各个维度考虑降低永磁体受市场价格波动的风险，提高发电机竞争力。

(1)降低永磁体配方中镝的含量是永磁体降低成本的有效途径，通过结合变流器对发电机的控制策略，从电气传动链系统角度降低对永磁体抗去磁能力的需求，为永磁体实现降低重稀土提供基础技术支撑；
同时需要联合永磁体厂开展技术攻关工作，采用晶粒细化和晶界重构两大关键技术，实现低镝永磁体的开发工作；

(2)利用高丰度的稀土元素铈，开发高性价比的铈磁体永磁风力发电机。目前，国内首台大功率直驱铈磁体发电机已开发成功，并在宁夏风场并网发电，这标志着稀土永磁风电开发利用进入了新时期。

本文总结了国内外风力发电机组的永磁电机应用概况，并根据风力发电机的应用环境，阐明了磁极系统固定和防腐的重要性，归纳总结了影响永磁体稳定性的关键因素。

永磁风力发电机作为风力发电机组的重要部件，磁体的可靠性非常重要。为保证永磁体的磁性能稳定性，在设计时，需要通过多个机型积累开发经验，保证永磁体在运行中不发生失磁；
同时结合机组的使用环境，开展了一系列的高于实际使用条件的严酷环境试验验证，保证了永磁体长期使用的可靠性。