直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子扇形塊鐵心壓裝

侯茂忠，陸佳冬

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的日益優(yōu)化，風(fēng)電市場產(chǎn)能得到擴(kuò)大，風(fēng)能作為一種綠色能源，目前正處于飛速發(fā)展階段。直驅(qū)發(fā)電機(jī)不需要齒輪箱，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組可靠性的提升，降低了運(yùn)營維護(hù)成本，近年來得到了越來越多的發(fā)展。在國外，西門子歌美颯已成功研發(fā)了6 MW、7 MW、8 MW產(chǎn)品。2019年，在上海舉辦的第十八界中國動(dòng)力展上，西門子歌美颯發(fā)布了最新研發(fā)的10 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)；通用電氣也有了6 MW產(chǎn)品，目前正在進(jìn)行12 MW產(chǎn)品的研發(fā)工作。在國內(nèi)，上海電氣風(fēng)電集團(tuán)已擁有6 MW和7 MW產(chǎn)品；金風(fēng)科技也推出了6.XMW平臺(tái)系列產(chǎn)品，正在進(jìn)行8 MW產(chǎn)品的研發(fā)工作。

1 扇形塊鐵心結(jié)構(gòu)介紹與零部件質(zhì)量要求

1.1 扇形塊鐵心結(jié)構(gòu)介紹

大容量直驅(qū)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，發(fā)電機(jī)整體重量相對(duì)其他廠家同容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)占有一定優(yōu)勢，其定子外徑超過6 m。通過巧妙的設(shè)計(jì)，將整個(gè)定子平均分成若干個(gè)相同的扇形塊定子，扇形塊定子單獨(dú)制造完成后，在發(fā)電機(jī)總裝工廠進(jìn)行拼裝，并通過分段對(duì)齊相機(jī)進(jìn)行拍照檢測，然后根據(jù)拍照采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)扇形塊定子的調(diào)整數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)整數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)相應(yīng)扇形塊定子的位置，使整個(gè)定子的圓度及圓柱度達(dá)到合理范圍內(nèi)。

扇形塊鐵心主要組成部分有：扇形沖片、支撐框架、鳩尾筋、壓圈及緊固件。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。支撐框架采用高強(qiáng)度鋼板焊接，通過數(shù)控設(shè)備加工而成，各關(guān)鍵尺寸及形位公差必須控制在圖紙要求范圍內(nèi)，下壓圈直接與支撐框架做成一體，齒的等分度均需要滿足圖紙要求。扇形沖片內(nèi)圓與支撐框架的外圓配合，徑向方向，扇形沖片與支撐框架之間采用鳩尾筋拉緊，鳩尾筋通過螺栓及延長套筒固定在支撐框架上；軸向方向，用上壓圈壓緊扇形沖片，上壓圈與支撐框架采用定位銷定位，并用螺栓及延長套筒固定在支撐框架上。整臺(tái)扇形塊鐵心子物料之間沒有通過焊接方式固定的，可以有效規(guī)避焊接造成的扇形塊鐵心變形及后期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 扇形塊鐵心

1.2 零部件質(zhì)量要求

1.2.1 扇形沖片

扇形沖片采用0.65 mm硅鋼板M470改進(jìn)型冷軋電工鋼，用于磁路設(shè)計(jì)的晶粒不朝任何特定方向，硅鋼板原材料的厚度差、不平度應(yīng)符合GB/T 2521—2016，表面不允許有銹斑。

沖片采用復(fù)式模沖制，沖制后不允許去毛、不允許涂漆，毛刺高度小于等于0.05 mm，沖片輪廓度要求0.04 mm，需采用投影方式檢驗(yàn)。

1.2.2 支撐框架

由于支撐框架結(jié)構(gòu)特殊，形位公差較多，且要求較高，所有加工要求應(yīng)一次夾裝加工完成，以保證加工精度。所有金加工尺寸必須符合圖樣要求，加工后，采用激光追蹤儀進(jìn)行關(guān)鍵尺寸檢測，合格后方可使用。

1.2.3 鳩尾筋

鳩尾筋作為連接沖片與支撐框架的關(guān)鍵部件，各尺寸均有較高的要求。原材料加工前要進(jìn)行退火處理，退火后材料的平直度調(diào)整到1 mm/m以下，鳩尾的兩個(gè)斜面是與沖片配合的關(guān)鍵面，用來拉緊沖片，緊固在支撐框架上，所以，兩個(gè)面的平面度要求均需要達(dá)到0.1，粗糙度要求為6.3，兩個(gè)斜面的角度也要得到嚴(yán)格控制，連接螺孔居中，螺孔位置度要求為0.3。

1.2.4 壓圈

壓圈用于壓住鐵心沖片，并使用螺栓固定在支撐框架上。鋼板須經(jīng)探傷檢驗(yàn)。由于采用螺栓固定，螺栓孔和壓圈齒的相對(duì)位置要準(zhǔn)確，防止壓圈齒壓不到?jīng)_片齒的中心位置，尤其是邊緣半齒，位置一旦偏差，小齒很容易偏到槽內(nèi)，直接影響線圈下線，為了保證鐵心所有齒能有效壓緊，壓圈平面度要求為0.3，同時(shí)，在壓圈和支撐框架上增加兩個(gè)定位銷孔，用來定位壓圈的位置。

2 扇形塊鐵心壓裝

2.1 準(zhǔn)備工作

定子扇形片、通風(fēng)槽板、支撐框架、鳩尾筋、壓圈等全部清理干凈，必要時(shí)使用清洗劑進(jìn)行清洗。壓裝過程中使用的各類工裝、工具等均應(yīng)清理干凈，如：壓裝底板、定位板、導(dǎo)向銷、防彈墊圈、T型定位塊、槽形定位棒、過渡壓板等。

2.2 支撐框架及定位板的安裝

利用支撐框架端面的螺栓孔安裝吊環(huán)，將支撐框架吊放到壓裝底板上，并通過兩個(gè)導(dǎo)向銷進(jìn)行定位，使用螺栓將支撐框架與壓裝底板進(jìn)行固定。在支撐框架兩側(cè)安裝定位板，如圖2所示，定位板與支撐框架兩側(cè)面的法蘭面之間必須保證無間隙存在，而定位板上與沖片相鄰的面高于與支撐框架安裝的平面，以確保沖片兩端不凸出支撐框架兩側(cè)面。

圖2 安裝支撐框架及定位板

2.3 扇形片疊裝

每層沖片由兩張扇形沖片組成，一張扇形沖片弦長較長，一張扇形沖片弦長較短。疊片前，首先在下壓圈齒之間放入四個(gè)T型定位塊，保證每個(gè)沖片有兩個(gè)定位塊。T型定位塊對(duì)初始段沖片進(jìn)行初定位，如圖3、圖4所示。疊片時(shí)，四張沖片一疊，然后大小沖片換位疊裝，由于受每檔鐵心長度的約束，每檔最后調(diào)整尺寸時(shí)，不受四張一疊限制，但須小于等于四張。疊完16張沖片后，使用槽形定位棒校正沖片位置，觀察沖片兩側(cè)是否與定位側(cè)板配合良好。每疊完一檔鐵心，須使用尼龍錘或銅錘仔細(xì)排齊沖片外圓，使沖片內(nèi)圓緊貼支撐框架筋板外圓。

圖3 放置T型定位塊

圖4 初始段沖片初定位

為保證槽形質(zhì)量，整個(gè)圓弧面槽里放置6組定位棒，每組為相鄰兩槽，通過設(shè)計(jì)兩種長度的定位棒，使定位棒對(duì)接處錯(cuò)開，保證槽形質(zhì)量，同時(shí)，保證扇形塊鐵心全長放滿定位棒，如圖5所示。

圖5 定位棒位置

2.4 鐵心加壓

整臺(tái)鐵心疊裝過程中需要進(jìn)行4次預(yù)壓及1次最終加壓。預(yù)壓位置為1/4Lfe、1/2Lfe、3/4Lfe以及鐵心全長，最后一次預(yù)壓后，如果需要調(diào)節(jié)鐵心總長，則調(diào)整后還需要進(jìn)行一次最終加壓。

扇形塊鐵心要求疊壓系數(shù)不小于0.97。根據(jù)國標(biāo)GB/T 19289第5章疊壓系數(shù)測定方法，疊壓系數(shù)公式如下：

(1)

式中：f為疊壓系數(shù)；l為試樣的平均長度的數(shù)值(m)；b為試樣的平均寬度的數(shù)值(m)；ρm為試樣的密度的數(shù)值(kg/m3)；m為試樣質(zhì)量的數(shù)值(kg)。

取扇形塊鐵心第一檔所有沖片進(jìn)行稱重，實(shí)際重量作為m的數(shù)值；b·l為沖片面積，我們?nèi)±L圖時(shí)，電腦算出的面積作為實(shí)際沖片面積(兩者相差很小，可以忽略不計(jì))；按照單位壓力不小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出總壓力，在壓力狀態(tài)下測量第一檔鐵心的實(shí)際長度，作為h的數(shù)值。按照上面的公式進(jìn)行計(jì)算，得出本次疊壓系數(shù)達(dá)到了0.98，滿足設(shè)計(jì)對(duì)疊壓系數(shù)不小于0.97的要求。后續(xù)的幾次加壓均按照此壓力進(jìn)行，以保證疊壓進(jìn)鐵心的沖片數(shù)量，保證疊壓系數(shù)。

2.5 鐵心固定

鐵心軸向采用壓圈壓緊，徑向由鳩尾筋拉緊，保證鐵心沖片沒有松動(dòng)情況發(fā)生。壓圈與支撐框架、鳩尾筋與支撐框架均采用螺栓拉緊，并按標(biāo)準(zhǔn)力矩要求進(jìn)行緊固。螺栓頭下加延長套筒，螺栓在擰入前，在端部螺紋上涂鎖固膠，防止螺栓產(chǎn)生松動(dòng)。不采用焊接方式，避免由于焊接產(chǎn)生變形以及后期運(yùn)行時(shí)焊縫出現(xiàn)質(zhì)量問題。

3 結(jié)語

通過本次的開發(fā)試制，順利的完成了扇形塊鐵心的壓裝，扇形塊鐵心槽形質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，扇形塊鐵心各項(xiàng)長度尺寸均控制在公差范圍內(nèi)。經(jīng)過激光追蹤儀的三維檢測，扇形塊鐵心各形位公差、鐵心外圓半徑等均滿足設(shè)計(jì)要求。本次開發(fā)試制的成功，為扇形塊鐵心制造打下了良好的基礎(chǔ)。