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低成本小型风轮机配套轴向磁通永磁发电机设计 邓隐北1，张子亮1，曹淑开2编译 摘要：文章阐述了农村电气化应用中、低成本无铁芯轴向磁通永磁发电机的设计和制造过程，其中的小型 风轮机是在当地生产的。该设计和制造程序基于已有公开资源的设计及制造手册，与此同时，还介绍了设计不同 kw小型风轮发电机用于典型的 额定功率发电机的系统方法以及联网或直接给蓄电池充电的2种方案。联网的3 分析研究，须要强调的是利用简单的工具和技术以达到低的成本。且详细描述了制造过程中的复杂步骤。实验室 中对发电机的设计做了模拟仿真，对制成的电机也进行了实验。 关键词：轴向磁通；低成本应用；公开资源的硬件设计；永磁钢；农村电气化；小型风轮机 0引 言 对于小型住宅或农村应用中，利用小风轮来发电非常普遍，但在现有税率体制下，若用于联 网(对电网供电)或用于馈电都不是好的选择。小型风轮机具有广阔的额定功率范围，高达88Kw， 经常是用永磁钢以产生发电机的励磁场。在无铁芯轴向磁通发电机中，永磁钢的利用使得制造过 程更简易化，更适合于当地的生产条件。世界各地很多都在利用这一形式的小型风轮机来实现农 中，按照所需的额定功率可以对发电机进行设计和制造。 本文阐述了这些基本的理论概念和制造方法，同时为了验证所提出的分析结果，制造了一台 3kw的发电机，并在实验室进行了试验。 1风轮机的连接方式 在设计过程的起始阶段，必须考虑到进行连接的形式，本文概述了最经常应用的直接蓄电 池充电和联网两种可能的选择方案。在这两种应用方式中，小型风轮机的制造程序是相同的。但 应计及某些不同的设计要求。 由于较低的初期成本，或由于断电和甩负荷而未选择接到公共电网上，担心其不安全可靠， 此时，直接的蓄电池充电应用通常以家庭用和农村范围的小型企业使用为佳。发电机的输出将通 过未控制的全波二极管整流桥整流，然后馈送至蓄电池组(图1)。 △H丰H％ 永磁发电机毳}i23磊轷充电控制器蓄电池组 逆变器 负载 图1 直接蓄电池充电方式的图框 当风轮转子叶片开始旋转时，发电机的输出电压圪订m应等于蓄电池的电压圪。打，也即 圪船折=圪删。当风速升高达到切入风速屹肌咖时，此式成立。对于农村应用和住宅内应用，这一 风速经常整定为3州s。但应注意到在小风轮实验现场对当地制造的木质风轮叶片和工业产品的 风轮实验以后发现，风轮开始需要较高风速的阵风来启动旋转。根据向前和向后开始旋转的这一 rIl／s。因此，在用于直接蓄电池充电的发电 瞬间，小风轮机能产生功率(发电)的风速将高于3 机设计中，切入风速的电压是唯一的限制条件。 联网则稍为复杂，为了能实现联网，必须以稳定而特殊的电压和频率进入某一形式的电网， 该类电网主要是指低压配电网或当地的微型网络。在第一种情况下，风轮机能馈电给公用事业网 络，并能享受某种馈电税率的优惠；在第二种情况下，很多小型风轮机或其他的微型能源，可以 在微网结构的交流母线上互联，因此能更有效的利用能源，并允许微型能源有更多的分散空间。 微型网络的总体结构，利用了一台中心控制的逆变器，即蓄电池逆变器，通过它连接到蓄电池， 能满足任何一种负载达到其额定功率，且具有接到主电网或柴油发电机的同步能力。在联网情况 下考虑到小型风轮机的设计，发电机的输出是经过一未控制的全波二极管整流桥，然后馈送至联 网的逆变器(图2)。该逆变器的直流输入电压范围吃。，～圪fP^，是对设计程序的一个限制。这一 输入电压范围由过电压保护器件保护，为了保持输入电压总是处于特定的范围内，保护器件利用 一卸载(降压)的负载电阻器。在此范围内需要改变发电机的电压，而切入电压屹山咖必须至少 等于吃。。在作为风速特性值的额定风速y。。。下，随后将卷起尾翼，空气动力制动系统开始操 作，而这一风速下发电机仍发出额定功率，发电机的电压输出不应超过圪i幽。对于农村应用，这 一风速通常整定在10州s。 图2联网方式的框图 利用为联网所设计的逆变器，应用小型风轮机的很大优点是：具有最大功率点(MPP)运行 的能力，在每一风