張曉敏

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，無(wú)需勵(lì)磁電流，且永磁體結(jié)構(gòu)、形狀多樣，尺寸選擇靈活，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強(qiáng)，所以永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，力矩慣量比大，具有高效率、高性能、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。故而永磁電機(jī)具有常規(guī)電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍也極為廣泛。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源供求緊張狀況凸現(xiàn)，傳統(tǒng)能源造成的污染給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)很多問(wèn)題，以風(fēng)力發(fā)電為代表的清潔能源越來(lái)越受到人們的重視。目前，永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而言，不存在低電壓穿越問(wèn)題，且省去了齒輪箱和滑環(huán)，需要維護(hù)部件少，可靠性高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，在可運(yùn)行范圍內(nèi)都具有較高的效率。

我公司研制了一臺(tái)160 kW低速永磁同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)對(duì)該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，對(duì)低速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行研究。為后續(xù)大功率海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 發(fā)電機(jī)技術(shù)條件

1.1 電氣參數(shù)

額定功率：160 kW

額定電壓：670 V

額定轉(zhuǎn)速：120 r/min

最大轉(zhuǎn)速：200 r/min

頻率：30 Hz

額定電流：162 A

功率因素：>0.8

效率：≥95%

相數(shù)：3

繞組接法：Y接

絕緣等級(jí)：H

工作制：S1

1.2 機(jī)械參數(shù)

結(jié)構(gòu)類(lèi)型：外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子

旋轉(zhuǎn)方向：順時(shí)針

額定輸入轉(zhuǎn)矩：13.4 kN·m

齒槽轉(zhuǎn)矩：≤0.5%的額定轉(zhuǎn)矩

外圓直徑：Φ1 900 mm

最大長(zhǎng)度：955 mm

質(zhì)量：約3 500 kg

冷卻方式：IC418

防護(hù)等級(jí)：IP54

噪聲：≤87 dB(A)(聲壓級(jí))

防腐等級(jí)：外部C4,內(nèi)部C3

1.3 環(huán)境參數(shù)

額定使用環(huán)境溫度：-20～40 ℃

降功率使用環(huán)境溫度：40～45 ℃

儲(chǔ)存及運(yùn)輸環(huán)境溫度：-40～70 ℃

最大海拔高度：1 000 m

最大相對(duì)濕度：95%

2 電磁方案設(shè)計(jì)

本文低速永磁發(fā)電機(jī)采用徑向磁場(chǎng)，內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子，定子繞組采用集中繞組，轉(zhuǎn)子磁極采用表貼突出式安裝形式。表1為電磁設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 分?jǐn)?shù)槽集中繞組特點(diǎn)

低速永磁發(fā)電機(jī)定子齒為平行齒，線圈為分?jǐn)?shù)槽集中繞組。定子線圈采用5根2.8 mm×4.75 mm漆包銅扁線并繞19匝制成。定子線圈實(shí)物以及線圈布置結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 定子線圈實(shí)物圖

圖2 線圈布置結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機(jī)每極每相槽數(shù)q=1/2，即分?jǐn)?shù)槽，節(jié)距y=1，采用該設(shè)計(jì)的集中繞組的特點(diǎn)：

(1) 容易實(shí)現(xiàn)多極少槽的設(shè)計(jì)：發(fā)電機(jī)定子極數(shù)多時(shí)，定子軛部尺寸薄，硅鋼片用量省，體積小重量輕；定子槽數(shù)少，定子槽內(nèi)絕緣占比小，元件數(shù)量少，嵌線簡(jiǎn)單；每極電樞反應(yīng)去磁磁勢(shì)低，提高了低速運(yùn)行平穩(wěn)性。

(2) y=1的集中繞組：線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，端部連接工藝也簡(jiǎn)單；線圈端部短，線圈長(zhǎng)度短，銅耗小，體積小，線圈端部散熱好，可以提高發(fā)電機(jī)的功率密度；在發(fā)電機(jī)體積較大時(shí)，可以設(shè)計(jì)為分塊結(jié)構(gòu)，便于制造浸漆和運(yùn)輸。

(3) 分?jǐn)?shù)槽：可以降低齒槽反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；分?jǐn)?shù)次磁場(chǎng)諧波，磁體渦流損耗增加。

(4) 極槽相近的配合：諧波漏抗大幅增加，氣隙磁密存在畸變，有低階次空間徑向力波。

2.2 永磁體性能特點(diǎn)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼，型號(hào)42SH，20 ℃時(shí)磁力特性如下：

(1) 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度：1.28～1.32 T；

(2) 矯頑力(Hcb)≥987 kA/m(≥12.4 kOe)；

(3) 內(nèi)稟矯頑力(Hcj)≥1 600 kA/m(≥20 kOe)；

(4) 最大磁能積(BHm)：40～43 MGOe；

(5) 溫度系數(shù)： αBr=-0.12%/C; αjHc=-0.55%/C；

(6) 退磁曲線：100 ℃下的退磁曲線成為一條直線，無(wú)拐點(diǎn)；

永磁體防腐采用噴涂環(huán)氧樹(shù)脂工藝，厚度10～30 μm。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向布置兩塊大永磁體，每塊永磁體由5片小永磁體用丙烯酸酯膠水黏結(jié)形成。永磁體上端兩尖角進(jìn)行45°倒角處理，使永磁體和齒槽旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)時(shí)變化緩和，這樣能使磁轉(zhuǎn)矩幅度變化連續(xù)而平穩(wěn)，有利于減少波形畸變和噪聲。

2.3 永磁體布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文低速永磁發(fā)電機(jī)采用表面突出式永磁體安裝方式，漏磁系數(shù)小，永磁體用量少，經(jīng)濟(jì)性好。

永磁發(fā)電機(jī)需要盡可能的降低齒槽轉(zhuǎn)矩。降低齒槽轉(zhuǎn)矩的一般方法為斜極或斜槽。斜極和斜槽其實(shí)是等效的，轉(zhuǎn)子斜極可以看成定子斜槽的相對(duì)等效。根據(jù)電機(jī)原理，轉(zhuǎn)子斜極機(jī)械角度計(jì)算=360°/(定子槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù))，此時(shí)從理論上可以完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩。

而本文發(fā)電機(jī)定子采用集中繞組，定子槽數(shù)少、鐵心較短，在工藝制造上實(shí)現(xiàn)斜極或斜槽都較為困難。發(fā)電機(jī)永磁體布置采用偏極的形式來(lái)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，永磁體布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 永磁體尺寸

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共30極，每5個(gè)極為一組，一組內(nèi)每極間偏移0.8機(jī)械角度，即由原來(lái)的每極之間12°減小到11.2°。每組磁極之間對(duì)稱。通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，偏極處理前后，齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比如圖4所示。

2.4 有限元仿真分析

根據(jù)第2節(jié)設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)相關(guān)電磁數(shù)據(jù)和參數(shù)，在ANSYS有限元軟件中建立幾何模型。建立的模型如圖5所示。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比圖

圖5 電磁模型

模型建立好后，對(duì)模型的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行賦予材料參數(shù)并添加邊界條件。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，在磁場(chǎng)變化劇烈的位置對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密剖分，可以提高計(jì)算精度。最后對(duì)程序進(jìn)行求解計(jì)算。

對(duì)發(fā)電機(jī)空載磁密和空載反電勢(shì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 發(fā)電機(jī)空載磁密圖

圖7 75 ℃時(shí)空載電勢(shì)

對(duì)發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算值為56.8 N·m，滿足技術(shù)條件小于0.5%的額定轉(zhuǎn)矩的要求。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)的主要組成部件有定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等。發(fā)電機(jī)外形為扁平圓柱形狀，采用成熟的外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

發(fā)電機(jī)機(jī)座為薄壁鑄件，外表面帶有散熱筋，機(jī)座上有法蘭孔與機(jī)艙連接。機(jī)座與定子鐵心之間采用熱套過(guò)盈配合。定子鐵心整圓由5片定子扇形片交錯(cuò)疊壓組成，每層沖片之間拼縫錯(cuò)開(kāi)。定子沖片固定采用螺桿緊固，為了避免螺桿中產(chǎn)生渦流損耗，定子鐵心緊固螺桿需包扎聚芳纖維紙，并額外加墊了2層絕緣墊圈。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸為鍛鋼空心軸，軸頭采用法蘭與輪轂連接，軸尾通過(guò)螺紋與剎車(chē)連接裝置。發(fā)電機(jī)軸伸端軸承采用單列圓錐滾子推力軸承，非軸伸端采用圓柱滾子軸承。為避免有磁性的轉(zhuǎn)子影響裝配，永磁體安裝在定轉(zhuǎn)子穿轉(zhuǎn)及端蓋安裝之后。永磁體通過(guò)端蓋處的缺口，采用專門(mén)的永磁體安裝工裝進(jìn)行安裝，如圖9所示。

圖9 永磁體安裝示意圖

4 絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低速永磁發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)采用先進(jìn)的H級(jí)少膠絕緣技術(shù)體系。少膠絕緣體系在同樣的耐壓情況下，尺寸比中膠絕緣體系要薄，可以提高槽空間的銅線利用率。本文低速永磁發(fā)電機(jī)同時(shí)采用了VPI真空壓力整浸技術(shù)。發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)VPI工藝處理后，絕緣性能大幅提升，機(jī)械強(qiáng)度變強(qiáng)，可以防止短路故障，提高防潮能力，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

5 試驗(yàn)測(cè)試

發(fā)電機(jī)制造完成后，對(duì)發(fā)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)齒槽轉(zhuǎn)矩為61.2 N·m，小于70 N·m。

發(fā)電機(jī)參照GB 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》和GB/T 25389.2—2010《低速永磁同步發(fā)電機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行了型式試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～表5。永磁發(fā)電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)條件要求。

表2 發(fā)電機(jī)空載測(cè)試

表3 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載測(cè)試

表4 發(fā)電機(jī)溫升測(cè)試

表5 發(fā)電機(jī)軸承及噪聲測(cè)試

6 結(jié)論

通過(guò)此次160 kW低速永磁同步發(fā)電機(jī)項(xiàng)目的研制，我公司研究了采用集中繞組結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。同時(shí)也對(duì)降低永磁發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方案進(jìn)行了研究，并著重研究了磁極偏極的計(jì)算分析。采用集中繞組結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，功率密度較高，用在海上大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)上時(shí)，可以顯著降低發(fā)電機(jī)重量，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)為分塊結(jié)構(gòu)，便于制造浸漆和運(yùn)輸。此次160 kW低速永磁同步發(fā)電機(jī)的研制成功，提升了我公司永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平，為我公司研制大功率海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)打好了基礎(chǔ)。