用于微网风电机组的无稀土磁通开关发电机研究综述
Tugberk Ozmen1; Batı Eren Ergun2; Mehmet Onur Gulbahce2; Nevzat Onat3
1. Vocational School of Manisa Technical Sciences, Manisa, Turkey
2. Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey
3. University of Manisa Celal Bayar University, Manisa, Turkey
T. Ozmen, B. E. Ergun, M. O. Gulbahce and N. Onat, "Rare-Earth Magnet Free Flux-Switching Generator for Wind Turbines in Micro-Grids: A Review," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 8, no. 3, pp. 295-309, September 2024, doi: 10.30941/CESTEMS.2024.00023.
内容
本文讨论了稀土永磁体和非稀土永磁体的特点，风电机组的发电机类型及其优缺点，解释了磁通开关发电机(Flux Switching Generators, FSG)的工作原理，并根据不同标准进行分类。
亮点
2.1 稀土永磁材料的特点
2.2 风电机组的发电机分类
（1）双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)
场景：需要恒定频率的情况
优点：容易控制、维护成本低
不足：机械损耗大
（2）笼形转子感应发电机(Cage Rotor Induction Generator, CRIG)
场景：小型低功率风力发电机
优点：结构简单、寿命长、不使用稀土磁体、效率高、功率密度高
不足：仅限小规模应用，在独立运行中需要电容组进行自激
（3）直流发电机(DC Generator, DCG)
场景：大型风电机组
优点：有多种绕组连接方式，包括单独、串联、并联和复合励磁
不足：有电刷、逆变器组件，功率密度低，不适合小型风力发电机
（4）同步发电机( Synchronous Generator, SG)
场景：海上风力发电
优点：能够直接连接到电网，效率高、具有电压控制能力、适用于变速工况
2.3 磁通开关发电机
原理：定子有励磁和电枢绕组，转子无绕组
场景：微网当中小型低功率风力发电机
2.4 磁通开关发电机分类
（1）根据运动方向：线性FSG和旋转FSG
线性FSG优点：在单一方向上产生力，效率高，可靠性高，能耗低
应用场景：电梯、自动门、波浪能发电
旋转FSG优点：技术成熟，应用广泛
应用场景：风力发电等多种旋转机械发电过程
（2）根据磁通方向与转轴关系：轴向磁通、径向磁通、轴向径向均磁通和横向磁通
轴向磁通：磁通平行于旋转轴，结构紧凑，功率密度高
径向磁通：磁通垂直于旋转轴
轴向径向均磁通：克服二者的缺点
横向磁通：损耗和重量更低，扭矩更高；漏磁高，功率因数低，结构复杂
（3）根据励磁方式：磁体励磁、绕组励磁和混合励磁
磁体励磁：稀土永磁体性能好，成本高；铁氧磁体成本低，重量大
绕组励磁：更容易进行磁场控制；结构简单而坚固，没有高温退磁风险；性能参数可以进一步优化
混合励磁：磁体励磁和绕组励磁结合,可以提高功率因数、效率和磁通弱化能力；结构复杂，生产困难
结论
FSG具有高功率、高力矩密度、坚固的转子结构和易于操作等特点，因此广泛用于微网中的风力发电机。稀土磁体励磁装置虽然具备性能优势，但是成本过高，所以本文讨论的FSG不使用稀土磁体，而是选择基于铁氧磁体、绕组或混合励磁机制，对不使用稀土磁体的FSGs结构进行广泛的论述。结果表明，无稀土磁体的发电机在转矩、功率密度、转矩波动和效率方面可以达到类似的优越特性。此外，还强调了其降低成本的潜力和在高温下的优越性能。
团队介绍
团队的研究方向主要有电机的电磁、发热、机械设计和分析，以及先进的拓扑结构。在Mehmet Onur Gülbahçe博士带领下，由Nevzat Onat教授、TuğberkÖzmen和研究助理BatıEren Ergun等研究人员组成，致力于现代电机设计的前沿研究。研究内容包括分析算法开发、优化设计以及元启发式算法。
目前研究重点之一是新的优化技术，例如多目标灰狼优化、粒子群优化和多目标非支配排序遗传算法II，用于提升功率密度和效率。新的设计都会通过有限元分析软件进行仿真，经过严格的研究流程，在制作原型之前确保将设计尽量精细化。
目前研究重点之二是将先进方法应用于变速风力发电机的轴向磁通感应发电机和径向轴向磁通开关发电机。针对变速风力发电机对可持续能源系统的重要性日益增加，制定了设计和优化流程，从而确保发电机拓扑在保持高功率密度和高效率的同时具备优异的总体性能。
研究重点之三是使用元启发式方法对先进功率变换器进行设计和优化。
着眼未来，团队的目标是扩大设计和优化算法库，从而研发更加丰富的创新技术和非传统拓扑，不断推动电机领域的科技进步。
团队致力于卓越和创新，紧跟电机研究前沿，持续提供高性能和高效率电机的解决方案。
作者介绍
Tuğberk Özmen，2015年毕业于伊斯坦布尔技术大学电气工程专业，获得学士学位。先后就职于多家可再生能源和光伏电站企业。2018年入职马尼萨技术科学职业学校。2021年获得土耳其马尼萨Celal Bayar大学电气和电子工程硕士学位。目前在马尼萨Celal Bayar大学电气和电子工程系攻读博士学位。研究兴趣包括发电机设计和电机谐波。
Batı Eren Ergun，2022年获得土耳其伊斯坦布尔技术大学电气工程专业学士学位。目前正在攻读硕士学位并担任研究助理。自2022年担任研究助理以来，一直积极参与伊斯坦布尔技术大学电机实验室的工作。研究兴趣包括电机的设计、分析、控制和谐波，风电机组发电机的设计开发。其他研究兴趣包括用于高效紧凑型电力驱动系统和电源转换器的宽带隙功率器件，电动汽车电池老化和能源管理模型开发，以及牵引电机和逆变器设计。
Mehmet Onur Gülbahçe，2010年获得土耳其伊斯坦布尔大学电气和电子工程学士学位。分别于2013年和2019年获得伊斯坦布尔技术大学电气工程硕士学位和电气传动博士学位。博士期间，担任苏黎世联邦理工学院电力电子系统实验室的客座研究员。从2019年到2021年，担任法提赫苏丹穆罕默德瓦基夫大学(FSMVU)电气和电子工程系助理教授。目前是国际电联电气工程系的助理教授。研究兴趣包括新型高速电机拓扑，电机谐波，用于高效紧凑型电力驱动系统和电源转换器的宽带隙功率器件。
Nevzat Onat，1995年在土耳其马尔马拉大学获得电子教育学士学位。1999年和2005年在土耳其伊斯坦布尔的马尔马拉大学获得电子教育硕士和博士学位。1997年至2015年在马尔马拉大学工作。自2015年以来，在马尼萨Celal Bayar大学工作。主要研究方向为电机、电力系统保护、光伏系统。
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《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。
