直驱永磁式风力发电机

　　直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

　　国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属于易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱风力发电机，具备低风速时高效率、低噪声、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。

　　直驱驱动式永磁风力发电系统结构如下图所示，风轮机直接耦合永磁风力发电机，发电机输出由可控硅整流后，再经过逆变器将能量发送给电网或蓄电池。

图示：直驱驱动式永磁风力发电系统

　　直驱永磁风力发电机的基本原理，就是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动直驱永磁发电机的转子旋转，实现发电。直驱永磁风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，不需外部提供励磁电源，提高了效率。它的变频恒速控制是在定子回路中实现的，把直驱永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，实现风力发电的并网，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。

　　直驱系统主要由风力机(这里概括为：叶片、轮毂、导航罩)、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。就空间位置而言，交流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。

　　系统所采用的发电机为永磁低速发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。由于直接耦合，永磁发电机的转速非常低，转速一般只有几十r/min，这样发电机体积较大、成本较高，因此其发电机的外形有别于传统电机细长外形，为直径大而轴向长度短的结构，因电机功率与电机定子内径的平方成正比，与铁心长度成正比，这样粗而短的结构还可有效利用其圆周线速度，转子位置相对于定子即可在内亦可在外，外转子结构效果会更佳。低速其极数必然多，永磁体可采用切向式，也可采用径向式。消弱谐波含量和采取分数槽、分布绕组。恰当的永磁结构形式、合理的磁钢厚度和极弧系数以及气隙尺寸等措施，都可以使发电机体积尽量小。由于低速，散热问题也需要慎重考虑，为此，在设计过程中，定子电流密度尽量选择较低些，机座采用散热筋式结构。

　　直驱永磁风力发电机有以下几个方面优点：

　　1.发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。

　　2.可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。

　　3.运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

　　4.电网接入性能优异：直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。

　　直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。且永磁材料及稀土的使用增加了一些不确定因素。