直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子壓圈齒壓板優(yōu)化設(shè)計(jì)*

雷華政， 雷向福， 張 顆， 王步瑤， 劉智勇， 陳河奔

(湘潭電機(jī) 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411101)

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子壓圈齒壓板優(yōu)化設(shè)計(jì)*

雷華政， 雷向福， 張 顆， 王步瑤， 劉智勇， 陳河奔

(湘潭電機(jī) 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411101)

分析了直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端部壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)，比較整體式壓圈齒壓板與分體式壓圈齒壓板優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用有限元進(jìn)行了整體式壓圈齒壓板與分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)下加強(qiáng)筋的應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)均能滿足使用要求，從降低加工成本及加工工藝難度方面考慮，提出了分體式壓圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，供電機(jī)設(shè)計(jì)參考。

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī); 優(yōu)化設(shè)計(jì); 齒壓板; 壓圈

0 引 言

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用外壓裝鐵心結(jié)構(gòu)，定子鐵心在機(jī)座外單獨(dú)壓成，其結(jié)構(gòu)主要由定子沖片、齒壓板、壓圈及加強(qiáng)筋組成。疊壓時(shí)以內(nèi)漲胎定位，用油壓機(jī)將沖片壓緊后再將兩端的壓圈與加強(qiáng)筋焊好使其成為一個(gè)整體。經(jīng)嵌線、烘干、VPI浸漆、熱套定子機(jī)座，依靠一定過盈量及定位銷，使鐵心固定在機(jī)座內(nèi)[1-2]。

在電機(jī)中定子齒壓板和壓圈的主要作用是壓緊定子沖片，減少定子鐵心疊壓后齒部向外張開的現(xiàn)象[3-4]。小型電機(jī)的鐵心壓圈大都采用1～5mm厚鋼板沖制而成，其形狀為環(huán)形，鐵心疊壓時(shí)壓住定子磁軛。中、大型電機(jī)由于沖片齒較長(zhǎng),需要用齒壓板將每個(gè)齒壓住，再用壓圈將齒壓板壓緊，也有些將壓圈齒壓板做成整體式結(jié)構(gòu)[5]。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于功率大、轉(zhuǎn)速低、發(fā)電機(jī)直徑巨大，整體式壓圈齒壓板不僅加工量大，而且加工難度大，還需輔助工裝夾具控制變形量，生產(chǎn)成本高。

近年來，電機(jī)產(chǎn)品原材料價(jià)格上漲，風(fēng)電整機(jī)訂貨價(jià)格下降，倒逼企業(yè)降本增效。為了節(jié)材降成本，需對(duì)壓圈齒壓板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到降低成本目的。本文以XE112 2MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)壓圈齒壓板為研究對(duì)象，對(duì)整體式壓圈齒壓板和分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)下定子鐵心加強(qiáng)筋強(qiáng)度進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，提出了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子壓圈齒壓板的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，供電機(jī)設(shè)計(jì)參考。

1 整體式與分體式壓圈齒壓板優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 整體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)

XE105 2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子60極定子324槽，定子鐵心端部壓板采用齒壓板與圧圈為一體的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整體式壓圈齒壓板采用水切割加工方式，定子鐵心整體剛度好，但是制造成本較高。

圖1 整體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)

整體式定子壓圈齒壓板在加工時(shí)，由于壓圈尺寸大，齒壓板槽數(shù)多，累積誤差及分度不均勻，導(dǎo)致壓指形狀不規(guī)則，齒壓板內(nèi)圓變形。整體式壓圈壓指偏移現(xiàn)象如圖2所示。因壓圈變形及齒加工分度不均，鐵心疊壓后上下壓圈局部槽底槽側(cè)高出鐵心沖片槽底槽側(cè)，線圈出槽口處與壓圈齒干涉，需要經(jīng)過校齒、銑齒、打磨等返工處理措施。雖然整體式定子壓圈加工量大、工藝實(shí)施難度大，局部還需要返工返修，但是整體式壓圈剛度好，整體變形量小。通過提高機(jī)床設(shè)備分度精度，確保壓圈齒部分度均勻，以及加強(qiáng)壓圈和定子鐵心的質(zhì)量控制，整體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)可滿足使用要求。

圖2 整體式壓圈壓指偏移現(xiàn)象

1.2 分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)

XE112 2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速只有14.5r/min，受變流器對(duì)發(fā)電機(jī)頻率的限制，需要提高發(fā)電機(jī)頻率，因此采用84極360槽結(jié)構(gòu)。由于槽數(shù)增加，定子沖片齒部變窄，采用整體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致加工更加困難，加工費(fèi)用更高。XE112 2MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子圧圈齒壓板采用分體式結(jié)構(gòu)。為了制造方便，降低壓圈齒壓板成本，齒壓板整圓由多塊扇形片拼裝而成，壓圈為整圓環(huán)結(jié)構(gòu)。分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)

齒壓板扇形片數(shù)與定子沖片扇形片數(shù)一致。由于分體式齒壓板有間隙，可以進(jìn)行片間調(diào)節(jié)，所以就可消除整體式壓圈齒壓板壓指與沖片齒不能對(duì)齊的現(xiàn)象。分體式壓圈由于直徑大，外圓開槽(與加強(qiáng)筋進(jìn)行焊接)，內(nèi)圓與齒壓板槽底留有間隙，壓圈呈環(huán)形，加工及吊運(yùn)容易變形，需要工裝夾具予以控制。

2 壓圈齒壓板有限元分析

定子鐵心經(jīng)油壓機(jī)壓緊，定子沖片片間壓力為1～2MPa，加強(qiáng)筋對(duì)維持定子沖片片間壓力起關(guān)鍵作用，對(duì)加強(qiáng)筋的強(qiáng)度需要進(jìn)行驗(yàn)算。建立壓圈計(jì)算模型如圖4所示，壓圈的材料為Q235，屈服極限為235MPa。

圖4 壓圈計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果： 整體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)最大變形為0.0797mm；最大應(yīng)力點(diǎn)為89.2MPa，位于壓圈與肋焊接處。整體式壓圈齒壓板應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

整體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)與分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比如表1所示。

表1 兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)降低了壓圈的剛度，變形增大，最大變形為0.139mm，最大應(yīng)力為101MPa，但可滿足要求。

3 分體式壓圈齒壓板優(yōu)化設(shè)計(jì)

壓圈外圓開槽的作用是與加強(qiáng)筋進(jìn)行焊接。由于采用84極、用84極360槽的極槽配合，定子沖片磁軛徑向尺寸較小，在壓圈外圓開槽降低了壓圈整體剛度。雖然采用了八點(diǎn)吊運(yùn)，壓圈軸向徑向變形仍較大，在鐵心疊壓時(shí)需要工裝夾具對(duì)定子壓圈進(jìn)行校正。

壓圈優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是取消壓圈外圓槽，如圖6所示，增加分體式壓圈剛度，取消輔助工裝，降低加工難度，將加強(qiáng)筋焊接在壓圈端面。目前該優(yōu)化設(shè)計(jì)正在進(jìn)行實(shí)物及工藝驗(yàn)證。

圖6 優(yōu)化后分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子壓圈齒壓板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，應(yīng)用有限元進(jìn)行了整體式壓圈齒壓板與分體式壓圈齒壓板結(jié)構(gòu)下加強(qiáng)筋的應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)均能滿足使用要求。從降低加工成本及加工工藝難度方面考慮，提出了分體式壓圈齒壓板的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)降低成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙： 湖南人民出版社，1978．

[2] 劉剛，湯林歡.圓形沖片定子鐵心結(jié)構(gòu)類型及其壓裝工藝[J].電機(jī)技術(shù)，2012(6)： 53-56．

[3] 楊昔科，李治.380MW發(fā)電機(jī)齒壓板和壓圈機(jī)械強(qiáng)度有限元分析[J].電機(jī)技術(shù)，2012(6)： 57-60．

[4] 鄭冠.1300MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部強(qiáng)度計(jì)算[J].電機(jī)技術(shù)，2013(4)： 13-15.

[5] 李驚春.風(fēng)電定子齒壓板加工工藝研究[J].機(jī)械工程師,2012(4)： 155-156．

[主要欄目]

·綜述 ·研究與設(shè)計(jì) ·變頻與調(diào)速 ·控制與應(yīng)用技術(shù)

·應(yīng)用 ·運(yùn)行與保護(hù) ·新產(chǎn)品介紹 ·新能源與風(fēng)力發(fā)電

·電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能 ·測(cè)試技術(shù)與檢測(cè)設(shè)備 ·行業(yè)信息

引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 報(bào)道經(jīng)典實(shí)用案例 反映行業(yè)最新動(dòng)態(tài)

Optimize Design of Stator Finger-Plate and End-Ring for Direct-drive Wind Turbine Permanent Magnet Generator

LEIHuazheng,LEIXiangfu,ZHANGKe,WANGBuyao,LIUZhiyong,CHENHeben

(State Key Laboratory of Off-shore Wind-power Technology and Testing-XEMC，Xiangtan 411101, China)

By researching on the finger-plate and end-ring for direct-drive wind turbine permanent magnet generator, through comparing the advantages and disadvantages of two structure finger-plate and end-ring, use FEA analyzed the deformation and stress of the strengthen rib at different structure finger-plate and end-ring, an optimization design of stator finger-plate and end-ring were presented. The work is of good reference value to direct the permanent magnet generator optimization design.

direct-drive wind turbine PM generator; optimization design; finger-plate; end-ring

海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)研究(2010CB736201)

雷華政

TM 315

A

1673-6540(2015)05-0063-03

2014-10-20