永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的裝配技術(shù)

熊英英 謝檢生

摘 要

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，永磁體是電機(jī)中的關(guān)鍵部件，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，永磁體易于脫落受損。永磁體的裝配技術(shù)涉及模塊化、固定結(jié)構(gòu)、散熱、耐腐蝕四方面。

關(guān)鍵詞

直驅(qū);風(fēng)力發(fā)電;永磁體;裝配;模塊化;散熱;腐蝕

中圖分類號(hào)： TM315? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.045

風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比較，具有清潔無污染的、可再生、獲取方便、經(jīng)濟(jì)性高、功率密度大等優(yōu)勢(shì)，在眾多可再生能源開發(fā)中具有十分重要的地位。近年來也得到我國(guó)政府的大力重視和支持。在我國(guó)，僅2019年全國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目有350余個(gè)，新增裝機(jī)量超4萬MW。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的結(jié)構(gòu)形式有：雙饋式、直驅(qū)式和半直驅(qū)式。其中直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于取消了齒輪箱，使風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相連，有效地避免了由于齒輪箱磨損帶來的故障，傳動(dòng)效率高，可靠性高，維護(hù)成本低，工作壽命長(zhǎng)，近年來得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，也是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子和定子同軸設(shè)置。轉(zhuǎn)子包括磁軛，以及多個(gè)沿周向間隔設(shè)置在磁軛的表面上的永磁體。由于轉(zhuǎn)子永磁體的強(qiáng)磁性，且定子上具有金屬構(gòu)件，例如鐵芯，因而當(dāng)進(jìn)行電機(jī)裝配時(shí)，轉(zhuǎn)子的永磁體與定子會(huì)相互吸引，使得轉(zhuǎn)子與定子之間容易出現(xiàn)局部的碰撞和吸附，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子的損壞，另一方面由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，永磁體易于脫落受損。因此，轉(zhuǎn)子永磁體的裝配技術(shù)直接制約永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，裝配技術(shù)主要涉及以下三方面。

1 模塊化

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外轉(zhuǎn)子通常通過轉(zhuǎn)子罩進(jìn)行支撐，制造這樣外轉(zhuǎn)子的復(fù)雜性和成本隨著轉(zhuǎn)子的外形的增大而增加，且整體式轉(zhuǎn)子，需要更換具有缺陷的永磁體時(shí)，維護(hù)也更加困難，因此采用模塊化制造永磁轉(zhuǎn)子。

轉(zhuǎn)子永磁體被固定到磁極模塊中，磁極模塊被固定到轉(zhuǎn)子軛的表面，磁極模塊具有載體板，永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)子罩中，永磁體安裝在載體板上，多個(gè)載體板首尾相連形成環(huán)形。轉(zhuǎn)子罩通常選用不銹鋼之類的非磁性材料制成。轉(zhuǎn)子罩采用螺栓擰緊或鉚釘方式。磁極通常粘接到轉(zhuǎn)子罩內(nèi)。

磁極模塊的組裝可以采用直排方式或者相對(duì)于軸向方向傾斜地排布方式。直排的方式的安裝方式是：轉(zhuǎn)子軛的表面具有軸向的緊固軌道，轉(zhuǎn)子軛被布置成由軸承相對(duì)于轉(zhuǎn)子支撐后，緊固軌道在軸向方向上滑動(dòng)到轉(zhuǎn)子軛部的表面上的對(duì)應(yīng)位置。該緊固軌道可以具有T形橫截面，磁極模塊具有與T形橫截面相配合而壓靠在緊固軌道部分，與轉(zhuǎn)子軛相連接。進(jìn)一步，也可以通過螺栓或者螺紋桿固定，使其本體部徑向延伸到緊固軌道，使磁極模塊與緊固軌道緊密相連。

但是，為了減少齒槽轉(zhuǎn)矩和/或電壓諧波，需要采用磁極模塊相對(duì)于軸向方向傾斜地排布。磁極模塊至少?gòu)较蚍譃槿M，每組為多個(gè)磁極模塊在轉(zhuǎn)子軛表面周向排布。因此，該永磁極模塊在軸向上連續(xù)，并且在軸向上處于不同的位置，形成偏離軸向方向傾斜地排布結(jié)構(gòu)。緊固軌道與轉(zhuǎn)子軛的連接方式可以與直排方式相同的連接。不同之處在于，通過改變永磁體在磁極模塊載體板的位置，即后一組的磁極模塊的永磁體相對(duì)前一組的永磁體在載體板上沿著橫向偏移規(guī)定距離。采用上述方式，磁極模塊也可以容易地被布置成“V”形或“W”形或者更多彎折的形狀。

2 固定結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式永磁體風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式，有插入式和表面式兩種安裝方式。

插入式永磁體的安裝相對(duì)于表面式安裝式更容易。插入式永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軛部具有供永磁體插入的空隙。永磁體軸向插入到空隙中。轉(zhuǎn)子的每個(gè)極具有兩個(gè)永磁體槽用以放置兩塊/兩組永磁體，橫向一字型或者“V”字形。永磁體端部通常設(shè)置有空隙。每組永磁體由多個(gè)永磁體沿槽的長(zhǎng)度方向疊放在一起，進(jìn)一步降低成本。

表面安裝式的轉(zhuǎn)子永磁體固定結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要集中在以下方面：

壓條/壓塊：通過壓條將轉(zhuǎn)子罩固定到轉(zhuǎn)子軛。壓條可以是雙邊的，固定相鄰的轉(zhuǎn)子罩，那么每個(gè)壓條具有兩個(gè)溝槽，溝槽對(duì)應(yīng)與轉(zhuǎn)子罩的沖壓的鉤形邊緣，二者卡扣固定在一起，溝槽設(shè)置在用于緊固的螺栓的兩側(cè)。通過這種方式，每個(gè)壓條執(zhí)行兩個(gè)不同轉(zhuǎn)子罩的緊固。這種方式采用的壓條成本較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。為了降低成本，也可以將壓條替換成壓塊，同時(shí)也可以降低轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量。

載體板配合：載體板的結(jié)構(gòu)以及多個(gè)載體板的配合方式的不同對(duì)永磁體裝配要求以及制造成本帶來不同的影響。載體板采用兩種互補(bǔ)的弧形拼塊載體板，拼塊兩端具有連接部，連接部由一對(duì)相鄰的互補(bǔ)臺(tái)階部通過螺栓連接在一起，每個(gè)弧形拼塊通過在每個(gè)弧形拼塊內(nèi)形成燕尾槽來保持永磁體。這種互相配合的臺(tái)階部相比于傳統(tǒng)的燕尾槽形制造成本更低。為了進(jìn)一步降低裝配難度，提出了一種載體板是由相同形狀的弧形拼塊載體板，在弧形拼塊載體板的兩端分別具有異形部，可以形成一個(gè)或多個(gè)臺(tái)階，多個(gè)弧形拼塊載體板可通過兩端臺(tái)階形的臺(tái)階部互相配合，異形部也可以采用T形槽、燕尾槽、斜面鋸齒槽、曲面鋸齒槽等對(duì)應(yīng)的形狀，只要是兩端的異形部可以彼此形成配合。再使緊固件穿過其中一個(gè)弧形拼塊載體板即可將其固定，大大降低了裝配難度以及制造成本。

3 散熱

永磁體的磁場(chǎng)與電機(jī)內(nèi)的溫度密切相關(guān)，溫度過高有發(fā)生不可逆失磁的風(fēng)險(xiǎn)，直接影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)于稀土合金永磁體的大型發(fā)電機(jī)，降低磁體的溫度可以進(jìn)一步減低磁體的成本。據(jù)此，在永磁體裝配過程中仍需進(jìn)一步考慮它的散熱。

正如前面所提到的，永磁體是安裝在轉(zhuǎn)子罩內(nèi)的，通過轉(zhuǎn)子罩對(duì)永磁體表面進(jìn)行支撐和限位。因而，為了在保持永磁體的同時(shí)改善永磁體的散熱，將轉(zhuǎn)子罩與永磁體的之間設(shè)置有空隙，從而在磁體的頂部表面上形成的空氣流動(dòng)空間，另一方面，通過在轉(zhuǎn)子罩上形成有凹部，或者脊等其他類似可以彈性變形以提供用于將永磁體保持在轉(zhuǎn)子罩內(nèi)的保持力的結(jié)構(gòu)，凹部，或者脊與永磁體線性接觸，二者采用過盈配合方式配合。該空隙的形式是結(jié)合凹部的結(jié)構(gòu)所形成的，可以形成兩個(gè)或者更多個(gè)的空隙部，空隙部之間通過凹部或者脊與永磁體的線性接觸隔開，單個(gè)空隙可以更進(jìn)一步的提高冷卻效果。

另一方面，還可以在轉(zhuǎn)子罩上提供反射性高的外表面，減少定子的磁通穿過轉(zhuǎn)子罩的表面，從而形成一個(gè)輻射屏障，減少轉(zhuǎn)子罩與永磁體的溫度升高。通過采用光滑或拋光的表面，在面向氣隙的轉(zhuǎn)子罩的表面不噴涂材料或者陽極氧化的方式，或者采用非金屬材料的轉(zhuǎn)子罩來提供反射性高的外表面。

4 耐腐蝕

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的環(huán)境條件較為惡劣，例如潮濕和腐蝕，對(duì)永磁體的使用壽命帶來了新的挑戰(zhàn)，進(jìn)而對(duì)永磁體的裝配提出了新的要求。

通?？梢圆捎棉D(zhuǎn)子罩將永磁體固定在磁軛的表面，在永磁體與轉(zhuǎn)子罩和磁軛表面的空腔內(nèi)填充密封料，例如環(huán)氧樹脂、漆、塑料或硅酮，密封料可以采用角焊縫形式施加，角焊縫的形式可以為平坦角焊縫、拱形焊縫或空心角焊縫。

更進(jìn)一步的是為永磁體提供迷宮式的密封結(jié)構(gòu)。具體地，永磁體的外表面設(shè)置有防護(hù)層，該防護(hù)層不僅覆蓋永磁體的磁極面，還覆蓋為了限位永磁體的定位凸臺(tái)的側(cè)面。定位凸臺(tái)采用多個(gè)凸臺(tái)間隔規(guī)定距離，在凸臺(tái)之間形成有凹槽，構(gòu)成了凹凸間隔連續(xù)的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)防護(hù)層進(jìn)行延長(zhǎng)至該定位凸臺(tái)遠(yuǎn)離永磁體的一側(cè)的外表面，增加了迷宮式的密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，保證了防護(hù)層更加緊密地貼靠在永磁體的外表面，對(duì)永磁體進(jìn)行了更加全面的保護(hù)。為了更進(jìn)一步地提高永磁體的防護(hù)能力，可以適當(dāng)增加該凸臺(tái)與其之間凹槽的數(shù)量。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合和需求采用合適的裝配技術(shù)對(duì)保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定具有十分突出的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)日趨成熟。永磁體是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，提高永磁體的性能，永磁性受高溫不可逆退磁、降低永磁體的制造、維護(hù)成本等問題，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)至關(guān)重要，也是進(jìn)一步研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]賈大江.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.10：52-100.