永磁技術在大型風力發電機組中的研究與應用

張世福，李斐斐，何海濤

(北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176)

0 引 言

近年來，永磁電機成為了電機行業關注的熱點并得到了快速的發展，越來越多的應用于風力發電領域，可以說進入了大發展時期[1]。永磁風力發電機組和雙饋風力發電機組是變速恒頻機組的兩個重要方向。雙饋風力發電機組是高速齒輪箱和雙饋異步發電機的傳動技術路線，國內遠景能源、浙江運達、三一風電采用此技術路線。永磁風力發電機組具有直驅、半直驅和高速傳動系統這三種技術路線，Vestas、GE、SGRE和金風科技等采用此技術路線。

國內永磁機組發展呈現出良好的發展態勢。2005年國內首臺1.2 MW直驅永磁機組在達坂城完成安裝，拉開了永磁電機在風力發電機中的使用序幕。2008年北京官廳奧運項目——1.5 MW直驅永磁機組完成批量化應用。2010年10月,湘電風能研制的2 MW和5 MW直驅永磁發電機組成功下線。2019年9月，金風科技研制的8 MW直驅永磁風力發電機成功下線。與此同時，東方電氣研制的10 MW直驅永磁風力發電機在福建三峽產業園成功下線。如圖1～圖3所示。

圖1 湘電風能 XE128-5 MW配套直驅發電機

圖2 金風科技GW175-8.0 MW 機組配套直驅發電機

圖3 東方電氣10 MW機組配套直驅發電機

國外永磁機組發展領先于國內。最初Vestas陸上和海上風電機組采用雙饋技術路線，在2014年切換為永磁半直驅的技術路線，且陸續開發了V150-6.0 MW系列機組、V164-9.5 MW系列機組，并預計于2022年完成V236-15 MW半直驅永磁風力發電機組樣機的安裝。2019年11月，GE Haliade-X 12 MW樣機成功發電。2020年5月，西門子歌美颯推出 SG14-222直驅永磁風機，容量達到14 MW，樣機于2021年完成安裝。圖4～圖6為上述三家公司開發的永磁直風力發電機。

圖4 V164-9.5 MW機組配套半直驅發電機

圖5 GE Haliade-X 12 MW機組配套永磁發電機

圖6 SGRE 14-222 DD機組配套永磁發電機

從GE、SGRE、Vestas和金風科技等國內外主要風力發電機廠商的技術路線來看，大功率風力發電組正在向永磁風力發電機和全功率變流技術轉變，并將成為海上風力發電機組的技術發展趨勢，促進永磁技術在大型風電機組得到更為廣泛應用。

1 永磁技術在國內直驅機組的最早應用情況

金風科技在引進德國Vensys直驅永磁技術后，在國內率先開展了直驅永磁機組大規模開發及應用。相比直驅電勵磁風力發電機組，直驅永磁機組在尺寸和質量上相對較小，結構簡單；永磁體固定在轉子內表面，便于安裝；采用外轉子結構、自然空冷的通風設計，大大提高了散熱效果，也省去了冷卻設備，整機具有較高的效率[2]。

圖7為1.5 MW風機安裝圖。隨著1.5 MW機組的運行穩定性逐步提高，機組的高可利用率和低故障率被業主廣泛認可，直驅永磁技術路線的可行性得到了有效驗證。針對磁極系統的可靠性及永磁體磁性能的穩定性，多年來國內開展了大量的研究與驗證工作，形成了風力發電機用燒結釹鐵硼磁體行業標準。目前，已具備功率10 MW及以下風力發電機的批量化自主設計研發和制造能力。

圖7 1.5 MW風機安裝圖

2 風力發電機用磁極系統可靠性

風力發電機要求具有20年或25年的使用壽命，作為戶外型發電機，磁極系統承受鹽霧、潮濕、冷熱溫差大等條件的環境影響，要求其磁性能無明顯衰減，永磁體無明顯腐蝕，整個壽命周期內要保持可靠的性能。因而，高可靠的磁極系統設計就成為永磁發電機能否長期可靠運行的關鍵。

2.1 磁極系統的可靠固定

磁極系統的可靠固定作為永磁電機運行的前提條件，需要保證在發電機運行過程和生命周期內，不能夠由于電磁力、離心力、疲勞等導致固定松動、結構老化，需采用有效的仿真手段，對磁極固定形式進行可靠性論證。

用于風力發電機領域的永磁體固定方式通常有表貼式和內置式兩種[3]。表貼式磁極的永磁體直接面對空氣隙，具有加工和安裝方便的優點，但永磁體直接承受電樞反應的去磁作用；內置式磁極的永磁體置于鐵心內部，漏磁大，但可以放置較多的永磁體來提高氣隙磁密、減小電機的質量和體積[4]。對于低速直驅永磁同步電機，多采用外轉子結構形式，永磁體固定通常為表貼式，常采用機械固定加真空覆層灌注的工藝或磁極盒結構，保證永磁體可靠地固定在轉子內表面上。

根據發電機的結構布局和傳動鏈的特點，半直驅機組永磁發電機轉速通常為400 r/min～650 r/min，運行時磁極不僅受到切向電磁力的作用，還承擔著由旋轉帶來的高速徑向離心力作用，兩者的疊加效果將會對磁極固定方式的可靠性產生更大的挑戰，因此半直驅發電機常采用內置式磁極結構形式，磁極分布形式以“一”字、“V”字或者其他混合形式為主。

2.2 磁極系統可靠防護

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。發電機可能會處于惡劣的運行環境中，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。這不僅要求在運輸、裝配過程中具有有效的防腐，防止部件受到腐蝕而導致失效；同時在發電機運行中具有可靠的防腐鍍層，保證永磁體可靠運行在生命周期內。

3 風力發電機用永磁體的磁穩定性

對于永磁風力發電機而言，永磁材料在使用中最關心的主要是時間穩定性、溫度穩定性、化學穩定性、機械穩定性及電磁穩定性。

3.1 時間穩定性

時間穩定性是指永磁材料經過長時間運行后磁性能的變化情況。永磁體磁衰減試驗驗證，溫度對磁衰減的影響非常大，通過在恒定磁場、恒定溫度下長期的暴露試驗來對永磁體長期的磁衰減進行評估。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，永磁體經過20年磁衰減仍然非常微小；在120 ℃以上的溫度，磁衰減顯著；在140 ℃以上，磁衰減非常顯著。永磁電機在設計過程中應該嚴格校核永磁體溫度情況，選用有效的通風和散熱方式，以確保發電機運行在設計范圍要求之內。

3.2 溫度穩定性

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α和矯頑力的溫度系數β應足夠小，才能保證永磁體磁性能的穩定性[5]。圖9是永磁體在-45 ℃～100 ℃條件下冷熱沖擊試驗。從第四周期試驗開始永磁體的磁通衰減趨于0，即磁性能趨于穩定。

圖9 永磁體冷熱沖擊穩定性

3.3 化學穩定性

所謂化學穩定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蝕程度。燒結釹鐵硼磁體是粉末冶金工藝制造、由三個相構成的復合組織，制造過程中磁體表面可能存在一些氣孔、氧化相等。空氣中的水分就從磁體表面或接近表面的富釹相和氣孔處進行腐蝕，基體的腐蝕會直接導致主相減少并降低永磁體的實際性能。

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。通過在永磁體制造過程中添加某些合金元素，采用合適的工藝對磁體表面進行適當的鍍層處理，可使磁體獲得較好的耐腐蝕性能。圖10是永磁體在2個標準大氣壓、100%相對濕度、120 ℃條件下試驗960 h測得的數據。從圖10可以看出，960 h后失重m只到1.2 mg/cm2。這說明，永磁體本身的耐腐蝕性能已經達到很高水平。

圖10 永磁體失重速率隨時間變化圖

3.4 機械穩定性

機械穩定性是指永磁材料由于劇烈的機械沖擊和振動而失磁。振動失磁是由于劇烈的機械沖擊和振動引起永磁體磁疇排列的混亂、微組織的移動變化而導致失磁。其引起的失磁與沖擊振動強度以及永磁體的矯頑力有關，矯頑力越大則影響越小。

永磁發電機的機艙振動加速度傳感器最大為0.3倍重力加速度，振動頻率幾十赫茲，且使用的是高矯頑力永磁體，故該方面導致的影響十分微小，通常忽略不計。

試驗研究驗證：將永磁風力發電機上所用的永磁材料產品，分別在常溫、40 ℃～60 ℃、80 ℃～100 ℃、100 ℃～120 ℃等4種溫度范圍,采用振動頻率1 000 Hz振動加速度0.2g、1g、2g、4g、10g,以及振動頻率300 Hz 振動加速度6g等6種振動條件下，按GJB 360A—1996 電子及電氣元件試驗方法進行加速破壞性試驗，試驗示意圖如圖11所示。試驗結果證明，在機組正常的使用條件下，永磁體不會因振動加速度、振動頻率、溫度等原因而發生減磁現象，安全裕度較大。

圖11 振動中的磁體

3.5 電磁穩定性

電磁穩定性是指永磁材料在反向磁場的沖擊下，磁性能保持穩定，反映了永磁材料抗電樞反應去磁能力。永磁風力發電機在運行過程中，永磁體在受到高溫、電樞電流、振動等因素影響時，可能會出現局部的退磁、不可逆失磁[6-8]。

在風力發電機組中運行的永磁發電機，可能會由于變流器直流橋、塔架電纜或發電機端環等短路而造成電機短路故障。在電樞繞組發生最嚴重的短路時，對永磁體產生最為嚴重的去磁效應。針對最嚴重的短路情況，永磁電機設計時應充分考慮，留有足夠的安全系數[9-10]。

為保證永磁電機電磁穩定性，需要從設計和試驗上進行如下技術保證。

(1)設計保證

通過設計合理的磁路拓撲結構、電磁參數、電機溫度等，選擇磁性能相匹配的永磁材料等技術措施，同時采用場路結合的計算方法，計算永磁體的工作點，特別是評估最大電樞反應的去磁磁場，保證永磁體在退磁曲線上的工作點安全可靠。

(2)試驗驗證

為了進一步驗證電機設計的可靠性，在兆瓦級永磁電機試驗臺上模擬了數次突然故障，電樞反應去磁磁場峰值達到最大值，對電機及永磁體進行綜合考核驗證。試驗時產生了巨大的轟鳴聲和振動，但是電機電磁磁場依然穩定，其相關數據如圖12所示。

圖12 電機突發故障時的短路電流

通過試驗驗證可以看出，模擬故障前后發電機空載電壓，其基波有效值分別為736.5 V和737.4 V，試驗前后兩者基本相同，沒有明顯差別，這也充分說明了該發電機即使在發生突然故障，產生最大電樞反應去磁效應后，未產生永磁體去磁現象，依然可以安全運行。

3.6 現場機組驗證

發電機的空載反電動勢反映永磁電機磁體的磁性能。為了驗證永磁風力發電機所使用的永磁體磁穩定性，同時消除長期以來客戶對永磁體的磁性能可靠性的顧慮，針對運行時間最長1.2 MW永磁風力發電機的空載反電動勢進行了持續檢測，然后同發電機出廠的試驗結果進行了對比，測試結果如表1所示。

表1 1.2 MW發電機空載反電動勢測試值

1.2 MW永磁風力發電機在風場運行已17年，從現場測試和出廠測試結果的對比來看，在同樣轉速和同樣永磁體溫度情況下，測試結果基本一致，證明只要磁極固定和防護可靠、電磁方案設計合理，永磁風力發電機的磁性能在實際使用過程中可以保證長期運行的穩定性和可靠性。

4 應對措施

為應對大功率機組的平價市場競爭和新能源汽車的快速發展市場形勢，需要從發電機的各個維度考慮降低永磁體受市場價格波動的風險，提高發電機競爭力。

(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，通過結合變流器對發電機的控制策略，從電氣傳動鏈系統角度降低對永磁體抗去磁能力的需求，為永磁體實現降低重稀土提供基礎技術支撐；同時需要聯合永磁體廠開展技術攻關工作，采用晶粒細化和晶界重構兩大關鍵技術，實現低鏑永磁體的開發工作；

(2)利用高豐度的稀土元素鈰，開發高性價比的鈰磁體永磁風力發電機。目前，國內首臺大功率直驅鈰磁體發電機已開發成功，并在寧夏風場并網發電，這標志著稀土永磁風電開發利用進入了新時期。

5 結 語

本文總結了國內外風力發電機組的永磁電機應用概況，并根據風力發電機的應用環境，闡明了磁極系統固定和防腐的重要性，歸納總結了影響永磁體穩定性的關鍵因素。

永磁風力發電機作為風力發電機組的重要部件，磁體的可靠性非常重要。為保證永磁體的磁性能穩定性，在設計時，需要通過多個機型積累開發經驗，保證永磁體在運行中不發生失磁；同時結合機組的使用環境，開展了一系列的高于實際使用條件的嚴酷環境試驗驗證，保證了永磁體長期使用的可靠性。