李柏森
中石化新星河南公司，河南 郑州，450000
摘要：如今，我国各领域的科技发展速度都比较快，风力发电是现代新型能源利用模式，风力发电的设备应用技术一直在创新优化，风力发电机设备的运行规模不断扩大，发动机的运行功率也随之提升。集中绕组在风力发电机当中的应用，能够改善以往直驱型发电机制造难度大的问题，因而本文就围绕集中绕组在风力发电机中的应用进行分析，以5MW永磁直驱外转子发电机设备为例对集中绕组应用进行具体研究。
关键词：集中绕组；风力发电机；技术应用
引言：风力发电经过近些年的发展，在技术和设备建设方面已经趋于成熟的水平，而技术的创新是现代社会经济发展的核心任务，尤其现代人们生活与工作对于电力能源的需求不断增多，风力发电作为节能型电力传输结构，在我国电力事业发展当中发挥着重要作用。因而风力发电机设备的技术优化促进风力发电水平提升与运行稳定性、安全性强化的重要举措，对其进行研究具有必要性。
一、集中绕组在风力发电机中的应用效果分析
风力发电模式已然成为现代电力运输的主力结构，风力发电建设运行的规模逐渐扩张，风力发电机是风力发电的核心设备，是风力转换成电力的主要运行结构，对于风力发电机设备内部结构的组成技术研究一直在进行，尤其是现代风力发电机设备的规格越来越大，工作运行期间的功率也在逐渐提升。通常风力发电机装置分为直驱型和齿轮箱传动型两，随着风力发电技术的创新研发，风力发电机的运行又转换成了永磁直驱型，这种类型的风力发电机在实际运行当中能够改善发电机齿轮箱故障易发的问题，在前几年的应用当中发挥了明显的优势。如今发动机的功率大幅度扩大，发电机的设备体积和重量也随之提升，直驱发电机当中应用悬臂式结构设计，在长期运行之后主机架、塔筒等结构容易在外力作用下产生弯矩，为了改善这一问题，发动机装置又向着扁平化的方向发展，整体的风力发电机设备制造难度明显增加。
在风力发电机当中所有定子结构需要进行真空压力浸漆处理，我国现有的发电机制造工艺当中浸漆罐装备最大的直径为6m，无法满足现代大型风力发电机制造的需求，在浸漆期间需要消耗大量的经济，由此发电机模块化建设的理念被推行应用，发电机组的设计模式在风力发电当中广泛应用，也就开始了集中绕组在风力发电机当中的应用进程。在集中绕组应用之前，也应用过波叠绕组模块设计，但是相对比来说分数槽集中绕组形式的应用效果更佳，更容易进行合理的模块化分组，整体发电机机组的运行顺畅性与稳定性较强，但是集中绕组在风力发电机当中的应用实践时间比较短，在具体应用期间还需要综合分析集中绕组各项参数设置合理性，从而保证集中绕组的应用能够发挥积极作用。
二、分数槽集中绕组在发电机当中的应用分析
分数槽集中绕组在发电机当中的应用较为常见，在交流电形式的发电机当中，每级每相的槽数值（变量）为q=Z/2mp，在发电机结构当中不为整数的绕组就是分数槽绕组结构[1]。分数槽结构是交流电动机绕组技术当中比较核心的体系，在水轮发电机、低速同步电动机、异步电动机等领域分数槽绕组技术的应用较为广泛，并发挥着重要的动力作用。将线圈放在槽内之后电力作用才会正常运行，在槽的端部线圈的电力运行无法实现，这是根据感应电势原理得出的结论。在发电机当中整数槽绕组的线圈端部结构中间会设有若干个槽距，举例来说，一个设有36槽的三相电机设备，当极对数（p）为1时，每对极下设置有6个槽，整距线圈的端部设计中间跨过了3个槽距，线端部结构的设计长度较大，具体可见图1。
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图 1 节距不等于1的线圈结构图
针对这一情况在发动机规划当中，需要针对线圈端部的长度进行缩小处理，才能实现发动机运行水平的优化。若是应用分数槽绕组设计模式，就不需要进行缩短处理，分数槽绕组模式设计当中若是以槽距为单位的基础下，节距至线端部的结构中间只需要跨过1个槽距就可以实现高效的运行，具体的节距规划形式可见图2，这样一来整体的结构就是由一个齿绕一个线圈模式进行构建，运行优势突出，尤其是在直径/长度（D/L）比值较大的扁平型风力发电机当中应用优势更加明显，能够有效促进发电机运行质量与效率的提升。
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图 2 节距等于1的线圈结构效果图
综合来看，当发电机绕组的节距值等于1时，集中绕组的端部绕组结构长度比较小，这种模式运行工作时端部设备的热量集中情况能够得到有效的改善，不会大幅度的发热，还能够减少有色金属材料的应用，具有较强的经济性[2]。集中绕组模式的应用能够更好的促进发电机模块化的应用实现。相对来说，在发电机当中应用传统形式的绕组线圈模式，需要设计成上下层叠的结构，模块化的设计很难实现应用，应用集中绕组就可以避免这一现象的出现。通常多级的发电机设备当中可以分化成多个单元机电并联结构，当发电机局部绕组出现异常故障时，若是无法实现及时的更换局部损坏的绕组情况下，也能够让其他部位的绕组结构进行正常的运行，从而避免局部损坏对发电机其他设施的产生连带影响作用，更好的保障发电机组运行的稳定性与安全性。
三、5MW永磁直驱外转子发电机相应数据分析
通常5MW永磁直驱外转子发电机的定子结构是由多个模块定子铁心共同组合而成，一般情况下是14块扇形模块形式，各个定子铁心结构之间相互对称，在中间的区域是由12 个大齿和 11 个矩形大槽组成，相互的齿距机械角度为2.14°，每一个的齿结构当中都对应设置一个集中绕组线圈，定子铁心相互拼合之后一共有168个槽结构，转子结构表面的粘贴式磁极数量为154，1°的定子机械角与77°电角度相互对应。
由此可以明确，模块中相邻两齿集中绕组线圈的基波永磁感应电动势的相位差aZ1=（360/1680）×77=165°电角度，相邻模块上的2个相邻集中绕组线圈的基波永磁感应电动势相位差aZ2=（360/168）×77=165°电角度。电机基波绕组短距系数为Ky1=sin（aZ1/2）=0.9914，绕组分布因数Kq1值为0.9577、绕组因数为0.949。发电机线绕组内部运行的奇次谐波永磁电动势Ev=4.44×Vf1KwvΦV，在这一公式当中V值为谐波次数的数值，f1代表的是基波电动势频率，在实际发电机应用数据计算过程中可以根据实际情况将各个参数数值进行带入，从而得到准确的电动势值。
通过此类数据的分析，对发电机集中绕组的应用实效参数进行明确，可以发现这种模式下发电机的电压、谐波、转矩波动等情况都处于相对稳定和良好的状态，比较容易形成模块化的设计，对于大型的风力发电机运行实现有较大的助益，也正是因此使得集中绕组技术在风力发电机当中的应用逐渐广泛起来，促进了大规模风力发电设备运行性能有效提升。
结束语：现代风力发电机运行当中，通过对设备的运行结构设计进行优化调整，对于整体发电机运行状态的改良有重要作用。集中绕组在风力发电机当中应用，能够改善以往发电机制造困难的问题，优化发电机运行散热性、稳定性与高效性，降低发电机设备运行成本。但是在集中绕组实际应用当中还是需要对各项运行参数进行综合计算与试验，以保证其应用合理性和有效性。
参考文献：
[1]赵祥.高可靠模块化永磁直驱风力发电机关键技术的研究[D].北京交通大学,2020.
[2]姜永将.永磁磁场调制式无刷双馈风力发电机的设计与分析[D].东南大学,2019.