3.6MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制

李曉峰，肖文滔

（1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411105；2.江西特種電機(jī)有限公司，宜春 336000）

3.6MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制

李曉峰1，肖文滔2

（1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411105；2.江西特種電機(jī)有限公司，宜春 336000）

概述了半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和基本特點(diǎn)，介紹了3.6MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和具體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了發(fā)電機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝及工裝方案，提出了研制中遇到的問(wèn)題及相應(yīng)的解決措施，最終的電機(jī)試驗(yàn)證明了電機(jī)設(shè)計(jì)和工藝的有效性及合理性，為后續(xù)的系列開發(fā)及批量制造打下了良好的基礎(chǔ).

風(fēng)力發(fā)電；半直驅(qū)；永磁發(fā)電機(jī)

風(fēng)能作為重要和最成熟的可再生能源技術(shù)，具有蘊(yùn)藏量豐富、可再生、分布廣、無(wú)污染等特性，使之成為可再生能源發(fā)展的重要方向.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)種類很多，應(yīng)用較多的主要有兩種：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī).其中雙饋異步發(fā)電機(jī)，其定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接變頻器.該機(jī)組具有以下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運(yùn)行要求由變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)，勵(lì)磁電源的容量?jī)H是電機(jī)額定容量的一部分，一般為發(fā)電機(jī)額定容量的1／4～1／3，成本降低，投資減少.其主要缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)需要配備增速比高達(dá)100的齒輪箱，而隨著風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，齒輪箱高速傳動(dòng)部件的故障問(wèn)題日益突出；另外，其低電壓穿越能力較差.

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)主要的功率輸出單元為永磁同步發(fā)電機(jī)，變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同.該方案的優(yōu)點(diǎn)是：采用直驅(qū)發(fā)電機(jī)可以做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，具備優(yōu)良的低電壓穿越的能力.省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，這樣可大大減小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高可靠性.主要缺點(diǎn)是盡管實(shí)現(xiàn)了直接耦合，但是直驅(qū)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機(jī)體積大、成本高.

綜合上述兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，人們提出了半直驅(qū)機(jī)型，所謂半直驅(qū)是指風(fēng)葉帶動(dòng)齒輪箱來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)發(fā)電，它是介于直驅(qū)和雙饋之間，齒輪箱的調(diào)速?zèng)]有雙饋的高，發(fā)電機(jī)也由雙饋的繞線式變?yōu)橛来磐绞?半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)合了兩種的優(yōu)勢(shì)，在滿足傳動(dòng)和載荷設(shè)計(jì)的同時(shí)，結(jié)構(gòu)更為緊湊，重量輕，同時(shí)具備了優(yōu)良的低電壓穿越能力，是一種具有廣闊發(fā)展前途的產(chǎn)品.

半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由以下幾部分構(gòu)成：低速（一級(jí)或兩級(jí)）齒輪箱＋中速永磁同步發(fā)電機(jī)＋全功率變頻器，由于省去了易出故障的增速箱高速級(jí)部分，減少了齒輪箱的故障和損耗，提高了機(jī)械轉(zhuǎn)換效率.中速永磁發(fā)電機(jī)，省去了電勵(lì)磁控制系統(tǒng)，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供永久性磁場(chǎng)；體積比直驅(qū)式發(fā)電機(jī)小，重量得以減輕.

1 3.6 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 主要參數(shù)

額定功率：3690kW 額定電壓：690V

額定電流：3350A 額定轉(zhuǎn)速：350r／min

額定功率因數(shù)：0.95 相數(shù)：3

連接方式：2Y 額定頻率：46.67Hz

冷卻方式：IC81W 絕緣等級(jí)：H級(jí)

防護(hù)等級(jí)：IP54 工作制：S1

效率：97% 發(fā)電機(jī)重量：17300kg

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

3.6 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由定子、永磁轉(zhuǎn)子、空－水冷卻器、端蓋、外風(fēng)扇、軸承、定子主出線盒、輔助出線盒等部件組成.電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，機(jī)座采用特殊的空－水冷卻方式，外帶風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，結(jié)構(gòu)緊湊；發(fā)電機(jī)兩端采用絕緣端蓋，軸伸端安裝接地碳刷，起到保護(hù)電機(jī)軸承的作用；配備自動(dòng)注油泵，便于運(yùn)行期間的維護(hù).其外形示意圖如圖1所示.

圖1 發(fā)電機(jī)外形示意圖

2 3.6MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)及制造工藝

2.1 定子

定子由機(jī)座、有繞組定子鐵芯、定子出線盒、引出線等組成.機(jī)座采用耐低溫鋼板焊接而成，是具有內(nèi)部水道的水冷機(jī)座，為防止運(yùn)行過(guò)程中冷卻液對(duì)金屬表面的腐蝕，對(duì)內(nèi)部表面進(jìn)行了特殊的防腐處理，以保證在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行.

定子沖片采用高導(dǎo)磁、低損耗的優(yōu)質(zhì)硅鋼片50W350沖制而成，每一層由8塊扇形沖片組成，層與層之間采用交錯(cuò)1／2疊裝.為削弱齒諧波電勢(shì)的幅值，改善電動(dòng)勢(shì)的波形，采用分?jǐn)?shù)槽繞組和定子斜槽.定子鐵心的緊固采用焊接方式，在定子沖片外圓設(shè)計(jì)有16個(gè)筋板槽，埋入16根筋板與鐵心及兩端壓圈焊接固定.

定子鐵心采用外壓裝工藝，對(duì)于扇形沖片斜槽鐵心的制造，目前國(guó)內(nèi)一些大廠如上海電氣、湘潭電機(jī)多采用沖斜槽的方法，即利用數(shù)控沖槽設(shè)備在每沖完一層沖片后移動(dòng)一個(gè)微小的距離再?zèng)_下一層，疊壓時(shí)只需嚴(yán)格按照沖片沖制順序來(lái)進(jìn)行，斜槽就自然形成，此種工藝依賴于高精度的進(jìn)口數(shù)控設(shè)備來(lái)保證.另外一種就是采用工裝扭斜的方式，但在扇形沖片中應(yīng)用較少，主要是疊壓后槽形不齊，影響后續(xù)的嵌線工作.由于缺少高精度數(shù)控沖槽設(shè)備，經(jīng)過(guò)研究，采用長(zhǎng)短斜鍵組合定位保證斜槽角度，短槽樣棒保證槽型尺寸的工藝.經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，疊壓后槽形及槽斜度均滿足設(shè)計(jì)要求.

定子線圈為成型雙層短距繞組，四路并聯(lián)接法.考慮到變頻器高次諧波對(duì)線圈絕緣的不利影響，對(duì)股間絕緣、匝間絕緣及對(duì)地絕緣進(jìn)行了加強(qiáng)處理.股間絕緣為電磁線本身絕緣，電磁線采用單玻璃絲耐電暈聚酰亞胺薄膜燒結(jié)銅扁線；六根并繞后，匝間再用聚酰亞胺薄膜玻璃布中膠粉云母帶包扎；對(duì)地絕緣采用耐電暈聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶.定子線圈埋設(shè)熱敏元件，以檢測(cè)其溫度.定子鐵心和線圈采用真空壓力整體浸漆后再普通浸漆的工藝，為減少固化過(guò)程中漆液的流失，烘焙固化采用旋轉(zhuǎn)烘焙的方法.這樣既保證了電機(jī)的整體絕緣性能，同時(shí)也提高繞組的防潮、防霉及防鹽霧的能力.定子鐵心外圓與機(jī)座采用過(guò)盈配合連接固定，為提高其熱傳導(dǎo)性能，鐵心外圓涂上了一層導(dǎo)熱硅脂.定子結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 定子結(jié)構(gòu)圖

從圖2可看出，其結(jié)構(gòu)決定了在裝配時(shí)只能由非出線端先進(jìn)入機(jī)座，而且出線端繞組排布緊密，沒有空間附加吊環(huán)螺栓等輔助起吊零件.原采用臥式裝配方法，即利用鋼管將有繞組定子鐵心抬進(jìn)機(jī)座，實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)由于機(jī)座和鐵心外圓為整圓配合，兩者配合面存在一定的橢圓度，且裝配時(shí)很難保證兩者軸心線的同一，稍有不慎，就出現(xiàn)卡住現(xiàn)象，導(dǎo)致裝配難以進(jìn)行.后決定采用立式裝配的方案，并設(shè)計(jì)一套內(nèi)撐式定子吊具，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，工作時(shí)首先轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲桿（兩端螺紋分別為左、右旋），兩個(gè)螺套同時(shí)向帶動(dòng)連桿及撐爪向外張開撐緊定子內(nèi)圓，橡膠塊安裝在項(xiàng)撐爪上，以增大摩擦力及防止定子內(nèi)圓受力過(guò)大而損傷.由于內(nèi)撐式定子吊具多用于中小型電機(jī)，大型電機(jī)的應(yīng)用尚無(wú)先例.此定子重量有5t，因此在吊具設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)受力情況作了詳細(xì)的計(jì)算，同時(shí)考慮其為扇形沖片鐵心，故相應(yīng)增加了吊具與定子內(nèi)圓的接觸面積；為增大接觸面摩擦系數(shù)，對(duì)橡膠塊的選型及處理工藝也做了特殊規(guī)定，確保吊裝安全可靠.在吊裝定子前，還通過(guò)吊裝鐵心來(lái)進(jìn)行工藝試驗(yàn).事實(shí)證明，該吊具使用方便可靠，完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).

圖3 定子吊具結(jié)構(gòu)圖

2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子為內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、磁鋼、磁鋼壓板及緊固件和粘結(jié)膠水等組成，軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu).鐵芯沖片有32個(gè)磁鋼槽，磁鋼安裝于硅鋼片鐵芯中，類似于磁極盒的結(jié)構(gòu)，每磁極由2塊矩形磁鋼組成，軸向方向排列10塊，分別從兩端嵌入到磁極槽內(nèi).磁鋼牌號(hào)為N38UH，工作溫度為－40～180℃，表面鍍鎳銅＋環(huán)氧.相鄰磁極之間設(shè)計(jì)有空氣隔磁槽以減少漏磁，兩端用隔磁壓板將磁鋼封閉固定.具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)軸采用了幅筋焊接結(jié)構(gòu)，軸材料采用35CrMo，幅筋用Q345D，確定合理可靠的焊接工藝是保證焊接質(zhì)量的重要手段；轉(zhuǎn)軸采用35CrMo鍛件，筋板采用Q345D，根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式，當(dāng)Ceq＞0.60%時(shí)，鋼材的可焊性較差，屬于較難焊接的鋼種.經(jīng)計(jì)算得出，35CrMo鋼的碳當(dāng)量值Ceq＝0.72%.由此可見，這種材料的焊接性不良，所以我們?cè)谶x取合適焊接材料、合理焊接方法的基礎(chǔ)上，采取較高的焊前預(yù)熱溫度、嚴(yán)格工藝措施和控制適當(dāng)?shù)膶娱g溫度的條件下，保證了產(chǎn)品圖紙的要求.

為消除沖裁應(yīng)力造成圓片多邊形效應(yīng)，鐵芯沖片采用先沖槽型后落外圓的工藝.安裝磁鋼時(shí)表面涂環(huán)氧樹脂改性膠粘劑，該膠常溫固化，耐溫范圍：－52～225℃，固化后表面平整、光亮、無(wú)氣泡，粘附強(qiáng)度高.轉(zhuǎn)子最終整體真空浸漆一次，提高防鹽霧抗氧化能力.永磁轉(zhuǎn)子在進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，應(yīng)注意動(dòng)平衡設(shè)備及其附件需離轉(zhuǎn)子鐵芯表面300mm以上，以排除磁鋼磁力對(duì)轉(zhuǎn)子的影響，從而保證動(dòng)平衡有效性及精確度.

由于磁鋼具有極強(qiáng)的吸附力，磁性物質(zhì)靠近時(shí)極易吸附，且每極磁鋼同性排斥現(xiàn)象也使磁鋼裝配比較困難.故此針對(duì)該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)須專門設(shè)計(jì)嵌入工裝，如圖5所示.

圖5 磁鋼裝配示意圖

工裝由三部分組成，支架固定于轉(zhuǎn)軸上起支撐作用，可根據(jù)磁極位置繞主軸旋轉(zhuǎn)；操作時(shí)將磁鋼放于不銹鋼導(dǎo)軌中，導(dǎo)軌前段全封閉，旋轉(zhuǎn)推力絲杠將磁鋼順著導(dǎo)軌壓入磁極盒內(nèi)；經(jīng)過(guò)小批量試制驗(yàn)證，該工裝操作方便，定位精準(zhǔn)，工作效率高；如果將絲杠改裝為液壓或者氣動(dòng)，效率更高，適合大批量生產(chǎn)使用.

2.3 端蓋軸承

軸伸端及非軸伸端均采用焊接端蓋，在端蓋的直徑方向均勻布置加強(qiáng)筋以提高其強(qiáng)度.為防止軸電流，兩端蓋均采用絕緣端蓋結(jié)構(gòu).首先在端蓋軸承套上包裹絕緣層，接觸平面墊上絕緣墊板，再將端蓋加熱套入，冷卻后將絕緣螺桿及墊圈裝配固定.最后，對(duì)端蓋的止口及軸承室進(jìn)行精加工，以確保其尺寸及形位公差要求.端蓋精加工后及最終裝配前對(duì)其絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試，其值均大于50MΩ.

電機(jī)軸伸端采用深溝球軸承作為定位軸承，C3游隙；非軸伸端采用圓柱滾子軸承作為浮動(dòng)軸承.軸承采用脂潤(rùn)滑，迷宮式密封結(jié)構(gòu).

2.4 電機(jī)裝配

永磁電機(jī)由于其永磁體具有極強(qiáng)的吸附力，而定轉(zhuǎn)子之間氣隙較小，如不采取有效的措施將導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子因吸引力大而產(chǎn)生相擦甚至吸附在一起，從而導(dǎo)致裝配失敗.由于該電機(jī)重量接近18t，氣隙為3.5mm，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，當(dāng)定轉(zhuǎn)子相接觸時(shí)，其磁吸引力為22t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子重量，定轉(zhuǎn)子將完全吸附在一起.故此，確?？傃b時(shí)定轉(zhuǎn)子同心是裝配的關(guān)鍵因素.我們考慮利用機(jī)座外圓導(dǎo)向，輔助以非軸伸端軸承室內(nèi)圓導(dǎo)向的方法來(lái)進(jìn)行裝配.

首先，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求機(jī)座外圓（軸伸端）進(jìn)行精加工，且與止口和鐵心檔保證同心；機(jī)座外圓（非軸伸端）外止口安裝一個(gè)工藝端蓋，外圓尺寸與機(jī)座外圓（軸伸端）一致；這樣，保證了機(jī)座外圓與定子同心的要求.另外，我們?cè)O(shè)計(jì)了裝配工裝，如圖6所示，經(jīng)過(guò)實(shí)際操作，整個(gè)裝配過(guò)程十分順利.

圖6 裝配示意圖

裝配具體過(guò)程如下：

（1）預(yù)置定子：將定子裝上工藝端蓋，立放在裝配平臺(tái)上，校正定子軸心線與平臺(tái)的垂直度；

（2）導(dǎo)向柱定位：把導(dǎo)向柱緊靠定子機(jī)座兩端外圓，緊固在裝配平臺(tái)上；

（3）抽離定子：將定子垂直吊起，離開導(dǎo)向柱；

（4）轉(zhuǎn)子裝配：將轉(zhuǎn)子連同軸伸端蓋、軸承及內(nèi)外軸承蓋裝配在一起；

（5）轉(zhuǎn)子定位：先把轉(zhuǎn)子裝入支撐座，并用螺釘緊固，然后整體吊入導(dǎo)向柱內(nèi)，校調(diào)轉(zhuǎn)子與導(dǎo)向柱同心度，緊固在裝配平臺(tái)上，并在非軸伸端裝上導(dǎo)向套；

（6）定子裝配：將非軸伸端端蓋裝在定子上；

（7）定轉(zhuǎn)子合裝：吊起定子，沿導(dǎo)向柱從上方慢慢滑入端蓋止口，緊固軸伸端蓋于定子機(jī)座上，然后緊固非軸伸端蓋于定子機(jī)座上；

（8）整機(jī)吊離：撤去導(dǎo)向套，將電機(jī)吊離導(dǎo)向柱.

3 總 結(jié)

通過(guò)后續(xù)的生產(chǎn)制造及電機(jī)型式試驗(yàn)，證明3.6MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、工藝切實(shí)可行，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)定要求；為我們?cè)O(shè)計(jì)及制造該類型電機(jī)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的系列開發(fā)及批量制造打下了良好的基礎(chǔ).

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)成本和運(yùn)行費(fèi)用也逐步降低.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展正日益成熟，同時(shí)，半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)以其獨(dú)有的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，必將得到更加廣泛的應(yīng)用.

［1］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］牛志鈞.永磁電機(jī)關(guān)鍵工藝淺議［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2007（4）.

［4］李松田.1.65MW半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制［J］.東方電機(jī)，2010（5）.

Research and Manufacture of 3.6 MW Semi－direct Drive Permanent－magnet Wind Generator

LI Xiao－feng1，XIAO Wen－tao2
（1.Mechanical Engineering Institute，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China；2.Jiangxi Special Electric Motor Co.LTD，Yichun 336000，China）

The technical advantage and characteristics of semi－direct drive permanent－magnet wind generator are expounded in the paper.The structural features and process emphases of the 3.6MW semi－direct drive permanent－magnet wind generator are analyzed in terms of structural design and manufacturing process，and the problem during the process and corresponding solution measure are presented.Subsequent production and tests demonstrate that it is reliable，effective and rational，which lays a good foundation for future series exploitation and lot manufacturing.

wind power；semi－direct drive；permanent－magnet wind generator

TM315

A

1671－119X（2014）02－0037－04

2014－01－12

李曉峰（1970－），男，工程師，研究方向：電機(jī)結(jié)構(gòu)與工藝.