高昂价格抑制需求
2011年，永磁风机制造商经历了恐慌。稀土材料的价格不可控制地呈螺旋式上升，而稀土是制造大功率永磁体必不可少的材料。风力发电机只是这些磁体的主要使用者之一。因此，当时许多整机商决定考虑其它类型的发电机。
直驱式风力发电机受到的冲击最大，因为它们需要的磁体材料量最多。特别是对于小型发电机，许多制造商决定重新使用齿轮高速机，尽管众所周知，它们可靠性较低，难以满足更严格的电网规定。
此后的形势稳定略高于危机前的水平，趋势也似乎并无变化。此外，即使功率超过10兆瓦，永磁直驱电机仍然越来越受欢迎。
评估直驱风机
直驱风机的主要优点是低速、可靠性更高以及无变速箱，去除了可能发生故障的组件。但是，一台10兆瓦的直驱式风力发电机可能重达200吨以上，直径显然超过10米，无论材料成本，还是制造、运输和现场安装都面临挑战。
通常，发电机迎风侧的气隙仅由一端支撑，这对机械设计带来了挑战，尤其是在处理气隙方面。因此必须增加气隙尺寸，这又导致需要更多的磁体材料。
此外，提升机械加工和起重能力也变得更加困难。在没有特殊安排的情况下，道路运输允许的最大组件尺寸不超过4.5至5米。在实际操作中，这意味着发电机必须在海上组装或制造，然后才能运到海上风电场。
若考虑大型兆瓦级现代风力发电机，另一种主要选择是使用所谓的中速解决方案，即发电机通过变速箱连接到风力转子，齿轮传动比为1:30或1:40。这使得更轻的传动系统成为可能。例如，要产生10兆瓦的电力，发电机重量要小于产生相同电力的直驱电机的15%。
自然，还有额外的变速箱重量。但最终，这意味着我们能够以正常规模单独制造、运输和处理组件，而无需任何特殊安排。传动系统的效率略高于直驱电机，在相同的输入扭矩下提供更高的输出。另外，更多的组件增加了故障风险。
散热问题
最佳风力发电机的另一个关键问题是冷却。几年来，我一直在说将双热交换器（HEX）方案改为过滤式直接气流冷却。双HEX系统意味着机器的内部空气循环（IP级，通常为IP54）由气液HEX冷却。二次回路中的液体必须通过风力发电机周围的空气，利用气液HEX再次冷却。
在实践中，这意味着与周围空气相比，将发电机冷却空气温度至少提高15°C。空气温度的升高会使发电机的输出功率受到更大限制，效率也会降低。双重HEX的配置也会导致额外的成本，并可能造成冷却液泄漏。
另一种方法是使用经严格过滤的周围空气直接冷却。现代过滤技术可以高效地（可达到99%以上）除盐、除湿和清除微粒。从发电机的角度来看，这具有双重优势：冷却剂温度更低，冷却量更大。如有任何颗粒进入发电机，冷却空气会将其吹出。这是IP54设备所不具备的优势。
实际案例
即使风电行业兴起的时候不长，在某些情况下却相当保守。但Eleon则不然。Eleon是爱沙尼亚的一家公司，规模不大，抱负却不小。
这家爱沙尼亚的风力发电机制造商成立于2007年，是兆瓦级直驱式风力发电机的先驱。较小的规模使公司能够灵活创新和尝试先进的解决方案，例如上面介绍的直接冷却概念。
首个获得专利的Eleon 3 MW直驱式风力发电机原型于2013年架设。自2013年以来，Eleon 3 MW风力发电机每年发电量达12千兆瓦时，这证明直接冷却概念行之有效。利用双轴承解决方案可以有效减小气隙径向长度，从而提高永磁体的磁化效果，最终提高效率。
结合直接冷却，其将提供重量更轻的解决方案，并确保临界尺寸符合制造和运输要求。
现在，我热切期待着他们的下一代风机，这批风机将于2020年在爱沙尼亚的100兆瓦Aidu风电场安装。
这个案例表明，我们正朝着更优化的设计迈进。
Panu Kurronen, D.Sc, CTO
安川电机环境能源中心/ 斯维奇
图片来源: © Eleon