1.65 MW半直驅風力發(fā)電機轉動部分結構設計

柴　峰

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

1.65 MW半直驅風力發(fā)電機轉動部分結構設計

柴峰

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：詳細論述了1.65 MW半直驅風力發(fā)電機技術研發(fā)、結構設計，歸納了風力發(fā)電機轉軸、轉子支架、磁軛及磁極的結構特點以及安裝方法，明確了發(fā)電機重要承載轉動部件的材料及性能要求，同時給出了永磁體的基本性能參數(shù)，并應用解析法和有限元方法分別對轉動部分相應部件的機械性能及運行特性進行了分析計算，為半直驅永磁風力發(fā)電機的設計提供了有價值的參考。

關鍵詞：風力發(fā)電機；永磁；轉子；機械特性；熱套

0引言

近年來全球風力發(fā)電發(fā)展勢頭迅猛，已經有越來越多的國家把發(fā)展風力發(fā)電作為未來電力投資的重點。風力發(fā)電對于解決能源危機、緩解環(huán)境污染狀況都有十分重要的意義[1]。目前我國風電市場上雙饋風力發(fā)電機是主流，技術相對成熟。雙饋式技術通過多級增速箱驅動雙饋異步發(fā)電機，在風力機和發(fā)電機轉子之間經增速齒輪傳動來提高轉速以達到適合異步發(fā)電機運轉的轉速，齒輪箱變速比大，齒輪箱設計，制造存在一定難度。直驅式風力發(fā)電機則靠風力機直接拖動發(fā)電機的轉子旋轉發(fā)電，因發(fā)電機轉速較低，導致電機極數(shù)過多，體積過大，給設計、生產、加工、安裝、維護、維修等諸多方面造成很大困難。

近年來半直驅永磁風力發(fā)電機逐漸成為風力發(fā)電的一個發(fā)展方向。半直驅永磁風力發(fā)電機綜合了雙饋和直驅兩者的優(yōu)點，一方面它的齒輪箱變速比相對較低，齒輪箱的損耗明顯下降；另一方面發(fā)電機轉速和極數(shù)提高的同時，發(fā)電機的體積也大幅減小。半直驅永磁風力發(fā)電機其質量與直驅相比更輕，其可靠性與雙饋相比更高。傳動鏈無齒輪軸，屬一級增速齒輪箱，對風力的適應范圍較寬，發(fā)電機的利用率較高[2]。因此，半直驅永磁風力發(fā)電機必將在未來的風電領域占據(jù)重要的地位。

1轉子結構介紹及分析

1.65 MW永磁風力發(fā)電機額定轉速150 r/min，最大轉速180 r/min，轉動部分由轉軸、轉子支架、磁極、輔助部件等組成。轉子支架與轉軸之間采用熱套工藝固定，轉子支架磁軛圈外側設置有T尾槽；轉子磁極沖片采用扣鉚工藝分段壓制，并安裝磁鋼形成磁極單元；在磁軛圈外側配合面T尾槽處外掛轉子磁極，采用拉桿拉緊，配以楔形鍵及端部壓板固定，從而形成完整的風力發(fā)電機轉動部分結構。

1.1轉軸

轉軸的剛強度能滿足運行中各種力的作用而不致產生殘余變形。轉軸在機組運行過程中承擔著額定電磁轉矩，轉子以及自身的質量，由于定、轉子不同心而產生的偏心磁拉力，此外還有與輪轂熱套引起的配合力，因此對轉軸的機械性能有比較高的要求[3]。1.65 MW永磁風力發(fā)電機轉軸采用42 CrMo鍛鋼鍛制而成。表1給出了轉軸鍛件熱處理后的主要參數(shù)。

轉軸兩端由向心滾子軸承支撐，其兩端面分別安裝驅動軸和制動軸。轉軸與轉子支架之間采用熱套工藝固定，轉子支架的軸向位置由轉軸上相應的定位止口限定，轉子的裝配位置由發(fā)電機前后端蓋及向心滾子軸承的裝配位置決定。轉軸配合面需進行精加工以確保轉子支架熱套后保持良好的同心度，轉軸兩端軸承配合面也需按照向心滾子軸承的安裝配合要求按過渡配合公差帶加工。

表1　轉軸鍛鋼材料特性要求

轉軸兩端面上按照同一分布直徑各加工24個螺孔，分別用來連接驅動軸及制動軸(見圖1)。同時應在轉軸與驅動軸之間噴涂摩擦劑，使其摩擦系數(shù)不小于0.5，同時配以高強度把合螺栓，增大驅動軸與轉軸的把合壓力，使驅動軸與轉軸之間主要采用摩擦傳遞轉矩。轉軸中間加工有軸向通孔，用以安裝管軸，管軸與轉軸在端部以滾動軸承固定，在風力發(fā)電機組運行過程中實現(xiàn)管軸與轉軸間雙轉速同步傳遞狀態(tài)。

圖1　半直驅永磁風力發(fā)電機轉軸

1.2轉子支架

轉子支架由輪轂、環(huán)板、磁軛圈等主要部件組成。發(fā)電機組運行時，轉子支架承受切向力，支撐發(fā)電機磁極及自身質量帶來的離心力，同時還承受著與轉軸熱套所引起的應力。

轉子支架內側輪轂與外側磁軛圈之間用鋼板焊接固定，以保證轉子支架能夠承受不同運行狀態(tài)時的載荷。根據(jù)對多種工況下應力的分析，確定在軸向中間位置焊接加強環(huán)板以支撐整體結構的結構方案，同時在加強環(huán)板兩側均布各加強筋，加強筋與環(huán)板間呈垂直角度，在降低轉子支架重量的同時保證其剛強度[4]。

圖2　轉子支架套軸加工圖

輪轂與轉軸之間采用熱套工藝固定。熱套緊量的確定需滿足發(fā)電機在不同工況下與轉軸配合的牢固性，輪轂與轉軸之間熱套緊量計算如下：

額定電磁扭矩為

(1)

式中，SN為發(fā)電機額定容量，kVA；nN為發(fā)電機額定轉速，r/min。

所需最小配合力

(2)

最小單邊緊量計算值

δmin=Pmin·(λa+λz)(mm)

(3)

式中，λa為軸的柔度，mm/N；λz為輪轂和支架的柔度，mm/N；D為轉軸配合段直徑，mm。

磁軛圈是風力發(fā)電機勵磁磁路的組成部分，也是固定磁極的主要強度部件。轉子支架與轉軸熱套固定后，以轉軸為基準在磁軛圈上加工T尾槽用以安裝磁極。T尾槽應在數(shù)控銑床上加工，槽形尺寸及軸向分布尺寸公差需控制嚴格，以保證磁極掛裝牢固以及圓周方向氣隙的均勻度。

圖3　磁軛圈T尾槽結構示意圖

T尾槽開口位置承受載荷主要為打鍵固定磁極產生的緊力、工況運行時磁極產生的離心力。槽底位置加工后厚度變薄，該位置的機械強度相對較弱。需對此進行強度計算分析。

圖4　轉子支架剛強度及動力特性分析

轉子支架為發(fā)電機主要承載部件，為確定結構設計的可靠性，需對靜止、額定運行、飛逸轉速等不同工況下轉子支架的剛強度進行計算分析。

風力發(fā)電機在不同工況下，載荷有所區(qū)別。靜止工況下轉子支架承受載荷主要有自重、磁軛和磁極重，額定工況則還要承受額定轉矩離心力，飛逸工況下則要考慮飛逸轉速下的離心力[5]。不同工況下轉子支架最大應力及最大變形計算結果見表2。

表2　不同工況轉子支架有限元分析

不同工況下應力最大值出現(xiàn)在輪轂內圓位置，該處接觸面因熱套存在很大緊力。隨著轉速的增加，轉動部件自身質量產生的離心力逐漸增大，相應的輪轂與轉軸之間的緊力被部分抵消，最大應力值也相應的減小[6]。從計算結果可知，不同工況下轉子支架的最大應力以及徑向最大變形均可以滿足機組運行的要求。

1.3磁極

磁極是永磁發(fā)電機產生主磁場的重要部件。1.65 MW永磁風力發(fā)電機轉子共32個極，每個磁極分為10個磁極單元，磁極單元分別由沖片及永磁體組成。轉子磁極結構參數(shù)見表3。

1.65 MW永磁風力發(fā)電機轉子沖片為中空T尾結構形式，在沖片中間沖制矩形槽用以安裝永磁體，在矩形槽底部加工臺階以固定永磁體，防止其運行過程中周向竄動。在矩形槽左右兩側留有隔磁槽，隔磁槽頂端沖片寬度為1 mm，利用空氣與磁極沖片材料的磁阻差有效控制磁路方向，減少漏磁，以期最大限度發(fā)揮永磁體的勵磁功效。

表3　風力發(fā)電機轉子磁極參數(shù)

為了方便磁極的安裝，轉子每個槽內磁極沿軸向分為10個磁極單元。由于永磁風力發(fā)電機磁極沖片上需加工永磁體安裝槽，沒有足夠的空間安裝拉緊螺桿，因此選用扣鉚工藝將一個磁極單元的沖片壓制成整體?？坫T時先將一個磁極單元的疊片按照相對位置度固定，在沖片的相應位置沖制若干凸起，各沖片的扣鉚點相互嵌入，從而將沖片沖結合成沖片單元?？坫T點的位置選擇需考慮工況運行時沖片的受力情況，同時也要兼顧扣鉚加工的工藝要求。

圖5　轉子磁極結構

1.65 MW永磁風力發(fā)電機轉子沖片加工15個扣鉚點，分別位于永磁體上下面以及T尾端部。因勵磁方向相同的永磁體間存在巨大排斥力，在磁極沖片的T尾位置加工螺桿孔，以便于磁極裝配后每個槽內的10個磁極單元固定為一個完整磁極。

永磁體采用釹鐵硼材料，其軸向厚度與磁極單元的軸向厚度相匹配，外形尺寸與轉子沖片矩形槽的尺寸相適應，其與磁極單元采用小間隙配合。釹鐵硼材料具有磁能積高，剩磁及矯頑力高，去磁曲線為直線等優(yōu)點，在電機生產領域中得到了廣泛的運用[7]。不僅提高了氣隙磁密，從而使電機用鋼鐵量減少，體積縮小，還可有效地改善電機的性能，使其效率、功率因數(shù)大大提高。

1.65 MW風力發(fā)電機選用永磁體的性能見表4。

表4　永磁體參數(shù)要求

永磁體與沖片單元裝配時，每個磁極所有磁極單元內永磁體的充磁方向應一致，相鄰磁極永磁體的充磁方向相反。永磁體安裝時需考慮其磁化性，避免使用導磁材料工具，必要時需設計專用安裝工具。

圖6　轉子磁極打鍵安裝示意圖

磁極與磁軛圈間安裝的牢固度直接關系到機組的運行安全。1.65 MW永磁風力發(fā)電機的磁極采用打徑向楔鍵的方式固定。在磁極的T尾及磁軛圈T型槽之間打入成對楔形磁極鍵，利用磁極鍵相互接觸的斜面將磁極與磁軛撐緊，防止其運行時徑向及周向的松動。磁極鍵的打緊力設置需在滿足磁軛圈機械強度的同時保證磁極安裝的穩(wěn)定。

2結語

發(fā)電機旋轉部件設計水平直接關系到機組運行的穩(wěn)定性和安全性。本文以1.65 MW半直驅永磁風力發(fā)電機為基礎，從結構設計、強度計算及安裝工藝等角度對發(fā)電機旋轉系統(tǒng)各部件設計要點進行詳細的研究和總結，應用有限元方法，分析了不同工況下發(fā)電機主要轉動部件的剛強度及機械特性，此外對旋轉系統(tǒng)的主要受力部件及勵磁材料的性能提出了明確要求，得到一些具有工程意義的結論。文章不僅對大容量兆瓦級風力發(fā)電機的設計具有指導意義，同時對其他類似發(fā)電設備的研發(fā)設計也具有一定的參考性。

參考文獻

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[7]唐任遠．現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997，6.

作者簡介:

柴峰，1982年生，男，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機與電器專業(yè)，長期從事水輪發(fā)電機及相關發(fā)電設備設計工作。