張世福，李斐斐，何海濤

(北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176)

0 引 言

近年來(lái)，永磁電機(jī)成為了電機(jī)行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)并得到了快速的發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可以說(shuō)進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)期[1]。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是變速恒頻機(jī)組的兩個(gè)重要方向。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是高速齒輪箱和雙饋異步發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)技術(shù)路線，國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)景能源、浙江運(yùn)達(dá)、三一風(fēng)電采用此技術(shù)路線。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有直驅(qū)、半直驅(qū)和高速傳動(dòng)系統(tǒng)這三種技術(shù)路線，Vestas、GE、SGRE和金風(fēng)科技等采用此技術(shù)路線。

國(guó)內(nèi)永磁機(jī)組發(fā)展呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。2005年國(guó)內(nèi)首臺(tái)1.2 MW直驅(qū)永磁機(jī)組在達(dá)坂城完成安裝，拉開(kāi)了永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的使用序幕。2008年北京官?gòu)d奧運(yùn)項(xiàng)目——1.5 MW直驅(qū)永磁機(jī)組完成批量化應(yīng)用。2010年10月,湘電風(fēng)能研制的2 MW和5 MW直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組成功下線。2019年9月，金風(fēng)科技研制的8 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)成功下線。與此同時(shí)，東方電氣研制的10 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在福建三峽產(chǎn)業(yè)園成功下線。如圖1～圖3所示。

圖1 湘電風(fēng)能 XE128-5 MW配套直驅(qū)發(fā)電機(jī)

圖2 金風(fēng)科技GW175-8.0 MW 機(jī)組配套直驅(qū)發(fā)電機(jī)

圖3 東方電氣10 MW機(jī)組配套直驅(qū)發(fā)電機(jī)

國(guó)外永磁機(jī)組發(fā)展領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。最初Vestas陸上和海上風(fēng)電機(jī)組采用雙饋技術(shù)路線，在2014年切換為永磁半直驅(qū)的技術(shù)路線，且陸續(xù)開(kāi)發(fā)了V150-6.0 MW系列機(jī)組、V164-9.5 MW系列機(jī)組，并預(yù)計(jì)于2022年完成V236-15 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)的安裝。2019年11月，GE Haliade-X 12 MW樣機(jī)成功發(fā)電。2020年5月，西門(mén)子歌美颯推出 SG14-222直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)，容量達(dá)到14 MW，樣機(jī)于2021年完成安裝。圖4～圖6為上述三家公司開(kāi)發(fā)的永磁直風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

圖4 V164-9.5 MW機(jī)組配套半直驅(qū)發(fā)電機(jī)

圖5 GE Haliade-X 12 MW機(jī)組配套永磁發(fā)電機(jī)

圖6 SGRE 14-222 DD機(jī)組配套永磁發(fā)電機(jī)

從GE、SGRE、Vestas和金風(fēng)科技等國(guó)內(nèi)外主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠商的技術(shù)路線來(lái)看，大功率風(fēng)力發(fā)電組正在向永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和全功率變流技術(shù)轉(zhuǎn)變，并將成為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)永磁技術(shù)在大型風(fēng)電機(jī)組得到更為廣泛應(yīng)用。

1 永磁技術(shù)在國(guó)內(nèi)直驅(qū)機(jī)組的最早應(yīng)用情況

金風(fēng)科技在引進(jìn)德國(guó)Vensys直驅(qū)永磁技術(shù)后，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了直驅(qū)永磁機(jī)組大規(guī)模開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。相比直驅(qū)電勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直驅(qū)永磁機(jī)組在尺寸和質(zhì)量上相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；永磁體固定在轉(zhuǎn)子內(nèi)表面，便于安裝；采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、自然空冷的通風(fēng)設(shè)計(jì)，大大提高了散熱效果，也省去了冷卻設(shè)備，整機(jī)具有較高的效率[2]。

圖7為1.5 MW風(fēng)機(jī)安裝圖。隨著1.5 MW機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性逐步提高，機(jī)組的高可利用率和低故障率被業(yè)主廣泛認(rèn)可，直驅(qū)永磁技術(shù)路線的可行性得到了有效驗(yàn)證。針對(duì)磁極系統(tǒng)的可靠性及永磁體磁性能的穩(wěn)定性，多年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量的研究與驗(yàn)證工作，形成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)用燒結(jié)釹鐵硼磁體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，已具備功率10 MW及以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的批量化自主設(shè)計(jì)研發(fā)和制造能力。

圖7 1.5 MW風(fēng)機(jī)安裝圖

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用磁極系統(tǒng)可靠性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求具有20年或25年的使用壽命，作為戶外型發(fā)電機(jī)，磁極系統(tǒng)承受鹽霧、潮濕、冷熱溫差大等條件的環(huán)境影響，要求其磁性能無(wú)明顯衰減，永磁體無(wú)明顯腐蝕，整個(gè)壽命周期內(nèi)要保持可靠的性能。因而，高可靠的磁極系統(tǒng)設(shè)計(jì)就成為永磁發(fā)電機(jī)能否長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1 磁極系統(tǒng)的可靠固定

磁極系統(tǒng)的可靠固定作為永磁電機(jī)運(yùn)行的前提條件，需要保證在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程和生命周期內(nèi)，不能夠由于電磁力、離心力、疲勞等導(dǎo)致固定松動(dòng)、結(jié)構(gòu)老化，需采用有效的仿真手段，對(duì)磁極固定形式進(jìn)行可靠性論證。

用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的永磁體固定方式通常有表貼式和內(nèi)置式兩種[3]。表貼式磁極的永磁體直接面對(duì)空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但永磁體直接承受電樞反應(yīng)的去磁作用；內(nèi)置式磁極的永磁體置于鐵心內(nèi)部，漏磁大，但可以放置較多的永磁體來(lái)提高氣隙磁密、減小電機(jī)的質(zhì)量和體積[4]。對(duì)于低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)，多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，永磁體固定通常為表貼式，常采用機(jī)械固定加真空覆層灌注的工藝或磁極盒結(jié)構(gòu)，保證永磁體可靠地固定在轉(zhuǎn)子內(nèi)表面上。

根據(jù)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)布局和傳動(dòng)鏈的特點(diǎn)，半直驅(qū)機(jī)組永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通常為400 r/min～650 r/min，運(yùn)行時(shí)磁極不僅受到切向電磁力的作用，還承擔(dān)著由旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的高速?gòu)较螂x心力作用，兩者的疊加效果將會(huì)對(duì)磁極固定方式的可靠性產(chǎn)生更大的挑戰(zhàn)，因此半直驅(qū)發(fā)電機(jī)常采用內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)形式，磁極分布形式以“一”字、“V”字或者其他混合形式為主。

2.2 磁極系統(tǒng)可靠防護(hù)

釹鐵硼永磁體中含有大量的稀土元素釹、鐵及硼，其特性是硬而脆。發(fā)電機(jī)可能會(huì)處于惡劣的運(yùn)行環(huán)境中，如鹽霧和水汽的侵蝕等，因此永磁體需要具備可靠的防腐能力。這不僅要求在運(yùn)輸、裝配過(guò)程中具有有效的防腐，防止部件受到腐蝕而導(dǎo)致失效；同時(shí)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中具有可靠的防腐鍍層，保證永磁體可靠運(yùn)行在生命周期內(nèi)。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用永磁體的磁穩(wěn)定性

對(duì)于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，永磁材料在使用中最關(guān)心的主要是時(shí)間穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性及電磁穩(wěn)定性。

3.1 時(shí)間穩(wěn)定性

時(shí)間穩(wěn)定性是指永磁材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后磁性能的變化情況。永磁體磁衰減試驗(yàn)驗(yàn)證，溫度對(duì)磁衰減的影響非常大，通過(guò)在恒定磁場(chǎng)、恒定溫度下長(zhǎng)期的暴露試驗(yàn)來(lái)對(duì)永磁體長(zhǎng)期的磁衰減進(jìn)行評(píng)估。圖8為永磁體在恒溫下的磁衰減曲線。

圖8 永磁體在恒溫下的磁衰減曲線

在110 ℃以下，永磁體經(jīng)過(guò)20年磁衰減仍然非常微?。辉?20 ℃以上的溫度，磁衰減顯著；在140 ℃以上，磁衰減非常顯著。永磁電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格校核永磁體溫度情況，選用有效的通風(fēng)和散熱方式，以確保發(fā)電機(jī)運(yùn)行在設(shè)計(jì)范圍要求之內(nèi)。

3.2 溫度穩(wěn)定性

釹鐵硼永磁體的居里溫度約310 ℃～400 ℃，在居里溫度以下，釹鐵硼的剩磁隨溫度升高而降低，其剩磁溫度系數(shù)α和矯頑力的溫度系數(shù)β應(yīng)足夠小，才能保證永磁體磁性能的穩(wěn)定性[5]。圖9是永磁體在-45 ℃～100 ℃條件下冷熱沖擊試驗(yàn)。從第四周期試驗(yàn)開(kāi)始永磁體的磁通衰減趨于0，即磁性能趨于穩(wěn)定。

圖9 永磁體冷熱沖擊穩(wěn)定性

3.3 化學(xué)穩(wěn)定性

所謂化學(xué)穩(wěn)定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蝕程度。燒結(jié)釹鐵硼磁體是粉末冶金工藝制造、由三個(gè)相構(gòu)成的復(fù)合組織，制造過(guò)程中磁體表面可能存在一些氣孔、氧化相等?？諝庵械乃志蛷拇朋w表面或接近表面的富釹相和氣孔處進(jìn)行腐蝕，基體的腐蝕會(huì)直接導(dǎo)致主相減少并降低永磁體的實(shí)際性能。

永磁體的耐腐蝕性不僅取決于磁體表面的鍍層處理，還取決于基體的耐腐蝕性。通過(guò)在永磁體制造過(guò)程中添加某些合金元素，采用合適的工藝對(duì)磁體表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)腻儗犹幚?，可使磁體獲得較好的耐腐蝕性能。圖10是永磁體在2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、100%相對(duì)濕度、120 ℃條件下試驗(yàn)960 h測(cè)得的數(shù)據(jù)。從圖10可以看出，960 h后失重m只到1.2 mg/cm2。這說(shuō)明，永磁體本身的耐腐蝕性能已經(jīng)達(dá)到很高水平。

圖10 永磁體失重速率隨時(shí)間變化圖

3.4 機(jī)械穩(wěn)定性

機(jī)械穩(wěn)定性是指永磁材料由于劇烈的機(jī)械沖擊和振動(dòng)而失磁。振動(dòng)失磁是由于劇烈的機(jī)械沖擊和振動(dòng)引起永磁體磁疇排列的混亂、微組織的移動(dòng)變化而導(dǎo)致失磁。其引起的失磁與沖擊振動(dòng)強(qiáng)度以及永磁體的矯頑力有關(guān)，矯頑力越大則影響越小。

永磁發(fā)電機(jī)的機(jī)艙振動(dòng)加速度傳感器最大為0.3倍重力加速度，振動(dòng)頻率幾十赫茲，且使用的是高矯頑力永磁體，故該方面導(dǎo)致的影響十分微小，通常忽略不計(jì)。

試驗(yàn)研究驗(yàn)證：將永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)上所用的永磁材料產(chǎn)品，分別在常溫、40 ℃～60 ℃、80 ℃～100 ℃、100 ℃～120 ℃等4種溫度范圍,采用振動(dòng)頻率1 000 Hz振動(dòng)加速度0.2g、1g、2g、4g、10g,以及振動(dòng)頻率300 Hz 振動(dòng)加速度6g等6種振動(dòng)條件下，按GJB 360A—1996 電子及電氣元件試驗(yàn)方法進(jìn)行加速破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果證明，在機(jī)組正常的使用條件下，永磁體不會(huì)因振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率、溫度等原因而發(fā)生減磁現(xiàn)象，安全裕度較大。

圖11 振動(dòng)中的磁體

3.5 電磁穩(wěn)定性

電磁穩(wěn)定性是指永磁材料在反向磁場(chǎng)的沖擊下，磁性能保持穩(wěn)定，反映了永磁材料抗電樞反應(yīng)去磁能力。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，永磁體在受到高溫、電樞電流、振動(dòng)等因素影響時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)局部的退磁、不可逆失磁[6-8]。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中運(yùn)行的永磁發(fā)電機(jī)，可能會(huì)由于變流器直流橋、塔架電纜或發(fā)電機(jī)端環(huán)等短路而造成電機(jī)短路故障。在電樞繞組發(fā)生最嚴(yán)重的短路時(shí)，對(duì)永磁體產(chǎn)生最為嚴(yán)重的去磁效應(yīng)。針對(duì)最嚴(yán)重的短路情況，永磁電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，留有足夠的安全系數(shù)[9-10]。

為保證永磁電機(jī)電磁穩(wěn)定性，需要從設(shè)計(jì)和試驗(yàn)上進(jìn)行如下技術(shù)保證。

(1)設(shè)計(jì)保證

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)、電機(jī)溫度等，選擇磁性能相匹配的永磁材料等技術(shù)措施，同時(shí)采用場(chǎng)路結(jié)合的計(jì)算方法，計(jì)算永磁體的工作點(diǎn)，特別是評(píng)估最大電樞反應(yīng)的去磁磁場(chǎng)，保證永磁體在退磁曲線上的工作點(diǎn)安全可靠。

(2)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性，在兆瓦級(jí)永磁電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上模擬了數(shù)次突然故障，電樞反應(yīng)去磁磁場(chǎng)峰值達(dá)到最大值，對(duì)電機(jī)及永磁體進(jìn)行綜合考核驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生了巨大的轟鳴聲和振動(dòng)，但是電機(jī)電磁磁場(chǎng)依然穩(wěn)定，其相關(guān)數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 電機(jī)突發(fā)故障時(shí)的短路電流

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，模擬故障前后發(fā)電機(jī)空載電壓，其基波有效值分別為736.5 V和737.4 V，試驗(yàn)前后兩者基本相同，沒(méi)有明顯差別，這也充分說(shuō)明了該發(fā)電機(jī)即使在發(fā)生突然故障，產(chǎn)生最大電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)后，未產(chǎn)生永磁體去磁現(xiàn)象，依然可以安全運(yùn)行。

3.6 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組驗(yàn)證

發(fā)電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)反映永磁電機(jī)磁體的磁性能。為了驗(yàn)證永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)所使用的永磁體磁穩(wěn)定性，同時(shí)消除長(zhǎng)期以來(lái)客戶對(duì)永磁體的磁性能可靠性的顧慮，針對(duì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)1.2 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了持續(xù)檢測(cè)，然后同發(fā)電機(jī)出廠的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 1.2 MW發(fā)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試值

1.2 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行已17年，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和出廠測(cè)試結(jié)果的對(duì)比來(lái)看，在同樣轉(zhuǎn)速和同樣永磁體溫度情況下，測(cè)試結(jié)果基本一致，證明只要磁極固定和防護(hù)可靠、電磁方案設(shè)計(jì)合理，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁性能在實(shí)際使用過(guò)程中可以保證長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4 應(yīng)對(duì)措施

為應(yīng)對(duì)大功率機(jī)組的平價(jià)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和新能源汽車的快速發(fā)展市場(chǎng)形勢(shì)，需要從發(fā)電機(jī)的各個(gè)維度考慮降低永磁體受市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，提高發(fā)電機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力。

(1)降低永磁體配方中鏑的含量是永磁體降低成本的有效途徑，通過(guò)結(jié)合變流器對(duì)發(fā)電機(jī)的控制策略，從電氣傳動(dòng)鏈系統(tǒng)角度降低對(duì)永磁體抗去磁能力的需求，為永磁體實(shí)現(xiàn)降低重稀土提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐；同時(shí)需要聯(lián)合永磁體廠開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)工作，采用晶粒細(xì)化和晶界重構(gòu)兩大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低鏑永磁體的開(kāi)發(fā)工作；

(2)利用高豐度的稀土元素鈰，開(kāi)發(fā)高性價(jià)比的鈰磁體永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率直驅(qū)鈰磁體發(fā)電機(jī)已開(kāi)發(fā)成功，并在寧夏風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電，這標(biāo)志著稀土永磁風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入了新時(shí)期。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的永磁電機(jī)應(yīng)用概況，并根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，闡明了磁極系統(tǒng)固定和防腐的重要性，歸納總結(jié)了影響永磁體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，磁體的可靠性非常重要。為保證永磁體的磁性能穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過(guò)多個(gè)機(jī)型積累開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，保證永磁體在運(yùn)行中不發(fā)生失磁；同時(shí)結(jié)合機(jī)組的使用環(huán)境，開(kāi)展了一系列的高于實(shí)際使用條件的嚴(yán)酷環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，保證了永磁體長(zhǎng)期使用的可靠性。