1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機研制李松田 東方電氣集團(tuán)東方電機有限公司，四川德陽618000摘 要 本文介紹了半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和基本特點，并重點介紹了東方電機1.65 MW半直驅(qū)永磁三相同步風(fēng)力發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)和具體結(jié)構(gòu)特點。關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；半直驅(qū)；雙饋；永磁同步發(fā)電機1 引 言由于風(fēng)力發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)相對比較成熟、開發(fā)成本更低，并且可以大大減少二氧化碳排放量，在全世界得到了迅猛發(fā)展。目前主要的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)包括：異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、電勵磁同步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、永磁同步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等等。大中型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機磁極普遍采用高磁性能燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，其具有剩磁Br高，矯頑力HCB大，磁能積BH大，退磁曲線近似于直線等優(yōu)點。若設(shè)計、使用得當(dāng)，可有效避免電機瞬間大電流、高溫和交變退磁場等引起永磁體磁鋼失磁。電勵磁同步電機磁極上必須裝設(shè)勵磁繞組以提供電機勵磁，并且電機需要增加相應(yīng)的集電環(huán)和刷架等部件。但永磁同步電機結(jié)構(gòu)就更為簡單，利用永磁體磁鋼作為電機磁極提供勵磁，無需集電環(huán)和刷架，不但提高了電機氣隙磁通密度和功率密度，而且還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、運行平穩(wěn)、效率高、易安裝、維護(hù)方便等特點。相對于異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，永磁同步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有對電網(wǎng)影響小，可靠性能高，傳動損失小，發(fā)電機效率高，發(fā)電品質(zhì)高，日常維修少等優(yōu)勢。隨著風(fēng)機運行時間加長，齒輪箱高速傳動部件機械故障問題日益突出，于是發(fā)明了不帶齒輪箱而是將風(fēng)機主軸與低速多極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連的直驅(qū)式驅(qū)動方式。但是，多極低速發(fā)電機體積龐大、過于沉重，導(dǎo)致安裝和維護(hù)都更加困難。為此，采用折中理念的半直驅(qū)式驅(qū)動方式在大型風(fēng)機設(shè)計中逐漸得到應(yīng)用和推廣，而這種半直驅(qū)式驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)電機就普遍采用永磁同步發(fā)電機。正是基于此，東方電機和芬蘭The Switch公司聯(lián)合開發(fā)了1.65 MW半直驅(qū)永磁三相同步風(fēng)力發(fā)電機，以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電市場日益增長的需求。2 半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組動力驅(qū)動系統(tǒng)方案采用半直驅(qū)變速變槳風(fēng)力發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)一般方案為：低速（一級或兩級）集成齒輪箱中速永磁同步發(fā)電機+全功率變頻器，該方案集成了三級高速齒輪箱和直驅(qū)式驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速一般在150500 r/min左右，發(fā)電機的體積和重量可以控制在比較合理范圍之內(nèi)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計得更加緊湊合理，具有更高可靠性和更長的使用壽命，也避免了直驅(qū)式驅(qū)動方案和高速齒輪箱驅(qū)動方案的諸多缺陷。半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點3.1發(fā)電機主要參數(shù)型 號 PMR1350-1650額定功率 1650 kW額定電壓 690 V額定電流 1534 A額定功率因數(shù) 0.9相 數(shù) 3額定頻率 40 Hz極 數(shù) 32額定轉(zhuǎn)速 150 r/min轉(zhuǎn)速范圍 0180 r/min冷卻方法 空水冷卻絕緣等級 180(H) (溫升按155(F)考核)防護(hù)等級 IP54中心高 1350 mm工作制 S1效 率 97 %發(fā)電機總重量18 t3.2發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、空水冷卻器、端蓋、軸承、定子主出線盒、輔助出線盒等組成。電機為臥式、全封閉脂潤滑結(jié)構(gòu)，在發(fā)電機兩端采用端蓋滾動軸承把轉(zhuǎn)子支撐在兩端端蓋上。冷卻器自帶風(fēng)機強迫通風(fēng)，冷卻器放置于電機機座頂部，以帶走電機內(nèi)部熱量。采用水冷方式，電機結(jié)構(gòu)更為簡單、可靠，既能將電機做得更小、更輕，又比空冷電機更好地防沙塵和鹽霧。發(fā)電機軸伸端有齒輪聯(lián)軸器方便同齒輪箱聯(lián)結(jié)，非軸伸端安裝有制動盤，供電機緊急剎車制動用。發(fā)電機傳動端安裝接地碳刷，起到保護(hù)電機軸承的作用。發(fā)電機總體布置如圖2所示。 圖2發(fā)電機總體布置圖3.3 定子定子由機座、鐵心和繞組等組成。機座采用耐低溫鋼板焊接成圓形結(jié)構(gòu)，圓形機座外側(cè)再把合蓋板把機座圍成密閉十二邊形，以在定子機座外側(cè)形成兩個獨立密閉風(fēng)路。定子鐵心采用高導(dǎo)磁、低損耗、無時效優(yōu)質(zhì)硅鋼片50W400沖制而成，整圓共12張扇形沖片，沖片與機座通過定位筋聯(lián)結(jié)固定。定子鐵心外徑為1840 mm，內(nèi)徑1600 mm，總長763 mm，全長共有13個6 mm高的徑向通風(fēng)溝。定子鐵心采用內(nèi)裝壓結(jié)構(gòu)，在定子鐵心疊片完成后，裝上定子鐵心壓板，再用一個帶錐度鎖緊環(huán)和數(shù)個錐形鎖緊螺栓共同作用壓緊鐵心壓板，達(dá)到將定子鐵心壓緊的作用。在機座上開有鎖緊螺栓螺孔，在擰緊帶錐度螺栓過程中鎖緊環(huán)就會逐漸將壓力傳向定子鐵心，這樣就可以方便的通過調(diào)整鎖緊螺栓擰緊長度來調(diào)節(jié)定子鐵心的壓緊程度。定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)定子繞組為成型雙層圈式線圈，線圈絕緣結(jié)構(gòu)充分考慮到變頻器高次諧波等影響，加強了線圈匝間及對地絕緣。定子線圈的并頭及引線連接均采用銀銅焊工藝，焊接性能良好。定子槽楔采用磁性槽楔，在槽楔下設(shè)置膨脹墊條以減小振動影響，可以保證線圈長期運行而不松動，并能補償絕緣的老化收縮，加強線圈及槽楔固定。定子鐵心和線圈采用VPI真空壓力整體浸漆，這樣既保證了電機的整體絕緣性能，同時又加強了電機的整體結(jié)構(gòu)強度和傳熱效果。定子裝配如圖4所示。圖4定子裝配3.4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子采用無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架為焊接結(jié)構(gòu)，主軸材料為耐低溫鍛鋼16MnD，主軸與轉(zhuǎn)子圓筒通過轉(zhuǎn)子軸向和徑向筋板焊接成一體，在徑向筋板上開有軸向通風(fēng)孔。在轉(zhuǎn)子支架外圓加工16組每組56個，共896個M6螺孔，該螺孔用于把合不銹鋼磁鋼固定支架，每組螺孔在軸向均按一定角度偏斜，保證磁鋼裝配時達(dá)到斜極的作用。首先，將磁鋼裝于磁鋼固定支架之中，再用磁鋼安裝專用工具通過不銹鋼螺栓將其把合在轉(zhuǎn)子外圓上，在轉(zhuǎn)子外圓形成N、S交錯磁極。轉(zhuǎn)子裝配如圖5所示。圖5轉(zhuǎn)子裝配永磁體磁鋼和磁鋼固定不銹鋼支架如圖6、圖7所示。圖6永磁體磁鋼圖7磁鋼固定不銹鋼支架磁鋼材料為釹鐵硼（NdFeB）38SH，對磁鋼磁性能有嚴(yán)格要求：剩磁Br1.23 T(20 )，剩磁Br1.12 T(100 )內(nèi)稟矯頑力HCJ1592 kA/m(20 )，內(nèi)稟矯頑力HCJ 800 kA/m(100 )矯頑力HCB 916 kA/m(20 )最大磁能積(BH)max 287 kJ/m3(20 )磁鋼最高連續(xù)工作溫度為150 ，在120 時，B-H退磁曲線基本呈直線，或拐點不高于0.1 T。磁體表面采用鍍鋅環(huán)氧復(fù)合鍍層，鍍層光潔，無肉眼可見缺陷或污損，鍍層耐腐蝕性能達(dá)中性鹽霧120h以上。另外對磁鋼化學(xué)成分、物理性能、失重特性失重量、冷熱沖擊不可逆磁通損失率特性、熱減磁不可逆磁通損失率特性、磁性能及表磁分布形態(tài)一致性等等都有特殊要求。對于大中型永磁電機，由于永磁體磁鋼吸力很大，在轉(zhuǎn)子磁鋼安裝時，需采用專門的磁鋼安裝工具，以保證人身和設(shè)備安全。轉(zhuǎn)子磁鋼安裝工具包括底座4，底座可以旋轉(zhuǎn)一定角度以方便安裝磁鋼，底座上裝設(shè)移動方向與底座移動方向垂直的安裝磁鋼固定架7，底座固定在壓塊3上，壓塊裝在絲杠5上（壓塊開有絲孔與絲桿配合），與絲杠平行方向設(shè)有一固定桿6，在絲杠、固定桿兩端裝配兩個緊固端板2（緊固端板與轉(zhuǎn)子本體軸向長度相適應(yīng)），兩個緊固端板外側(cè)分別裝有手輪1，轉(zhuǎn)動手輪，壓塊就能帶動底座一起沿絲杠運動。隨著底座沿轉(zhuǎn)子軸向移動，可以停留在不同的轉(zhuǎn)子軸向位置，而底座又可以沿轉(zhuǎn)子徑向移動，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，可以方便地把磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子表面需要的位置。采用轉(zhuǎn)子磁鋼專用安裝工具，使得轉(zhuǎn)子磁鋼安裝尤為方便、安全、快捷，尤其是對于磁鋼個數(shù)多且采用斜極的大中型永磁電機更為實用。轉(zhuǎn)子磁鋼安裝工具如圖8所示。圖8轉(zhuǎn)子磁鋼安裝工具1.手輪 2.緊固端板 3.壓塊 4.底座 5.絲杠 6.固定桿 7.固定架3.5 端蓋軸伸端和非軸伸端端蓋均采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料為耐低溫鋼板，在端蓋的徑向和周向均布置有加強筋板。焊接端蓋的強度高，變形小，能承受轉(zhuǎn)子重量及外部沖擊載荷。端蓋如圖9所示。圖9端蓋3.6軸承軸伸端和非軸伸端軸承均采用球面滾子調(diào)心軸承，軸承固定在軸承端蓋軸承室內(nèi)，端蓋通過止口定位把合固定在定子機座兩端，軸承采用脂潤滑，潤滑脂選用Arcanol multitop潤滑脂。發(fā)電機軸承外圈通過絕緣鋼圈與電機端蓋連接，該絕緣鋼圈由內(nèi)鋼圈和內(nèi)鋼圈外面的絕緣層組成；軸承兩側(cè)裝設(shè)絕緣環(huán)，軸承把合螺栓外套有絕緣套筒，把合螺栓鋼墊圈下放置絕緣墊圈。這樣就把軸承和端蓋等部件絕緣隔離開來，在電機運行時，就可以有效阻斷軸電流在軸承等部件中流通，防止軸電流損壞軸承，起到保護(hù)軸承，保證電機長期可靠運行的作用。該絕緣軸承如圖10所示。圖10絕緣軸承結(jié)構(gòu)圖1.滾動軸承 2.絕緣環(huán) 3.內(nèi)鋼圈 4.絕緣層 5.絕緣環(huán) 6.絕緣墊圈 7.絕緣套筒3.7通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)電機空水冷卻器放置于電機機座頂部，中間隔板把機座外殼和蓋板之間的風(fēng)道軸向隔離成互不透風(fēng)的兩個風(fēng)區(qū)，機座外殼與定子鐵心之間裝設(shè)多個周向均布的軸向筋板，機座外殼上開有徑向通風(fēng)孔，兩個不同風(fēng)區(qū)徑向通風(fēng)孔交錯布置。發(fā)電機空水冷卻器離心風(fēng)機在電機非軸伸端旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)產(chǎn)生風(fēng)壓，把經(jīng)冷卻器冷卻后的冷空氣鼓入電機內(nèi)部，冷風(fēng)流經(jīng)定子鐵心、繞組、轉(zhuǎn)子磁鋼，帶走其產(chǎn)生的熱量再進(jìn)入電機軸伸端，熱空氣由軸伸端進(jìn)入空水冷卻器，熱風(fēng)經(jīng)冷卻器冷卻后被離心風(fēng)機再次鼓入電機非軸伸端內(nèi)部，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，達(dá)到帶走電機熱量，冷卻電機的作用。空水冷卻器帶強迫通風(fēng)離心風(fēng)機，兩個冷卻器換熱容量均為30 kW，兩個風(fēng)機電動機功率均為5.5 kW，400 V，50 Hz。冷卻器如圖11所示。圖11冷卻器4 結(jié) 語通過對該發(fā)電機較為完整的型式試驗，證明東方電機和芬蘭The Switch公司聯(lián)合開發(fā)的1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機是非常成功的，各項性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計值，發(fā)電機出力、溫升、空載電壓等性能指標(biāo)均滿足規(guī)定要求，達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，同時該電機運行平穩(wěn)，效率高，振動小，噪聲低。永磁同步發(fā)電機不從電網(wǎng)吸收無功勵磁，無需勵磁繞組和直流電源，也不需要集電環(huán)和刷架，結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行影響小。與雙饋型風(fēng)機相比，全功率變流器更容易實現(xiàn)低電壓穿越（Low Voltage Fault Ride Through），還可以顯著改善電能質(zhì)量，減輕發(fā)電機對低壓電網(wǎng)的沖擊，保障風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)可靠性和安全性。隨著風(fēng)力發(fā)電各項技術(shù)的發(fā)展和風(fēng)力發(fā)電機組性能的逐步提高，風(fēng)力發(fā)電會越來越高效，越來越經(jīng)濟(jì)，風(fēng)電項目開發(fā)成本和運行費用正在逐步降低，風(fēng)力發(fā)電，其發(fā)展正日新月異。在風(fēng)電傳動系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來大型風(fēng)機的發(fā)展趨勢，隨著半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更加完善和成熟，半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機勢必存在巨大的市場需求。參考文獻(xiàn)1周壽增，董清飛，“超強永磁體”，冶金工業(yè)出版社2唐任遠(yuǎn), “現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計”, 北京,機械工業(yè)出版社, 1997作者簡介：李松田：(1969)，男，高級工程師，1992年畢業(yè)于華中理工大學(xué)電機專業(yè)。東方電機有限公司副總設(shè)計師、東方電機有限公司中型電機分公司副總經(jīng)理，長期從事交流電機設(shè)計工作。8