兆瓦永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制介紹楊振河

1、2兆瓦永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制介紹北京湘電科技有限公司摘要：由湘潭電機(jī)股份有限公司出資組建的風(fēng)力發(fā)電合資公司，從荷蘭引進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的成套技術(shù)，其中發(fā)電機(jī)為ABB生產(chǎn)的永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)。由于ABB公司無法保證按時供貨而且電機(jī)價格昂貴，風(fēng)力發(fā)電合資公司委托湘潭電機(jī)股份有限公司開發(fā)替代現(xiàn)有ABB電機(jī)的永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)。在設(shè)計(jì)上，集合了國內(nèi)優(yōu)良資源，組成產(chǎn)學(xué)研一體的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，采用先進(jìn)的有限源分析方法，著重解決了磁鋼化學(xué)退磁、減小定位阻力矩、減小諧波在轉(zhuǎn)子中損耗以及參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)問題。在工藝上，對定子熱套浸漆、定轉(zhuǎn)子裝配進(jìn)行了工藝研究。經(jīng)過樣機(jī)試驗(yàn)，效果較好。一風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀1. 國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀2

2、. 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀3. 預(yù)測4. 風(fēng)力電機(jī)發(fā)展趨勢二湘電2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹1. 電機(jī)技術(shù)要求2. 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)主要由前端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、后端蓋、主軸承、和錐形支撐等6大零部件組成。2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)二維示意圖 1前端蓋；2定子；3轉(zhuǎn)子；4后端蓋；5主軸承；6錐形支撐2.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)三維示意圖l 電機(jī)整體示意定子后端蓋主軸承錐形支撐前端蓋轉(zhuǎn)子l 電機(jī)分解示意3. 電機(jī)主要參數(shù)電機(jī)型號GPM-1-2000電機(jī)型式永磁同步防護(hù)等級IP55冷卻方式風(fēng)冷絕緣等級F符合標(biāo)準(zhǔn)GB755-2000環(huán)境溫度（外部空氣）40相對空氣濕度100安裝最大海拔高度1000m工作制S1額定功率2110k

3、W額定功率因數(shù)0.97額定電壓660V極數(shù)60相數(shù)2×3頻率11.25Hz額定電流2×924.775A額定轉(zhuǎn)速22.5rpm效率95額定轉(zhuǎn)矩933228N.m接法YY轉(zhuǎn)子重量11118.25kg電機(jī)重量47291kg轉(zhuǎn)動慣量28059kg.m24. 電磁性能分析4.1 靜態(tài)磁場分析電機(jī)二維1/6分析模型磁 力 線 分 布?xì)?隙 磁 密 分 布磁 密 分 布4.2 短路性能分析4.3 永磁體去磁分析分析永磁體在額定負(fù)載和6相短路時去磁情況，此工況下繞組磁場分布用于退磁。4.4 發(fā)電性能分析空載4.5 發(fā)電性能分析獨(dú)立負(fù)載4.6 發(fā)電性能分析接電網(wǎng)（負(fù)載2MW）結(jié)論：通過對2M

4、W60極永磁同步發(fā)電機(jī)的磁路分析，發(fā)電性能分析，論證了該永磁發(fā)電機(jī)的性能如下：1） 當(dāng)發(fā)電機(jī)單獨(dú)負(fù)載2MW供電時，電機(jī)效率大于95% 。2） 當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接時，可在滿載范圍內(nèi)保證高的發(fā)電性能指標(biāo)（電機(jī)效率大于95.5% ）。3） 6相突然短路時，永磁體不會退磁。5. 主要解決的技術(shù)問題5.1 多方案比較結(jié)論：在試制造設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對以上提出的方案，分別從電磁性能、定子結(jié)構(gòu)和定子繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電磁場分析以及仿真分析驗(yàn)證等四個方面進(jìn)行了論證，最終采用了方案八。該方案在體積上和ABB相當(dāng)，并且考慮到?jīng)]有此類電機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，而且該方案電機(jī)的磁密、電密、熱負(fù)荷都留有較大裕度。5.2 防磁鋼

5、退磁 5.2.1 永磁電機(jī)退磁主要有以下幾種:1）大電流沖擊退磁：由于現(xiàn)在的控制器采用了矢量控制技術(shù)，電機(jī)在起動過程中以額定電流恒定力矩起動，沒有電流沖擊。由于電機(jī)最大電流發(fā)生在故障狀態(tài)下三相短路時的短路電流，因此，在設(shè)計(jì)時只要保證校算短路狀態(tài)下磁鋼工作點(diǎn)在磁鋼工作曲線拐點(diǎn)以上，就能保證電機(jī)在使用過程中不會因大電流沖擊而退磁?，F(xiàn)在磁鋼在額定使用溫度下，拐點(diǎn)基本在0.2以下，只要設(shè)計(jì)合理完全能滿足電機(jī)要求。2）高溫退磁：主要控制電機(jī)熱負(fù)荷保證電機(jī)溫升小于磁鋼使用溫度。采取措施減小高次諧波在磁鋼表面中的渦流損耗，保證磁鋼溫度。3）化學(xué)退磁：以上二種退磁都是在特定條件下發(fā)生的，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，保證材料

6、性能，就能防止退磁發(fā)生，均與磁鋼壽命無關(guān)。只有化學(xué)退磁是逐步發(fā)生的，直接影響磁鋼的使用壽命。 磁鋼的化學(xué)失效主要源于磁鋼中的稀有金屬和氫元素的化學(xué)反應(yīng)，從而使磁鋼失效。在空氣中存在的氫氣以及在潮濕狀態(tài)下存在的氫離子與磁鋼接觸，是造成磁鋼失效的主要原因。5.2.2 磁鋼的化學(xué)失效及其解決方法：要想解決磁鋼長期化學(xué)失效的問題，首要的是要做好磁鋼的防護(hù)。磁鋼在出廠前已經(jīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的防護(hù)要求，做好了防護(hù)層。在保證磁鋼防護(hù)層完好的情況下，是可以保證磁鋼的使用壽命?？墒侨绾伪ＷC磁鋼在裝配過程中保護(hù)層不受損傷，是工程上要解決的主要問題。目前，在大型永磁電機(jī)中，還無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子整體充磁。普遍采用先充磁后裝配的工藝

7、方法。使用這種方法時，盡管采用工裝或?qū)Ｓ迷O(shè)備，但由于磁鋼強(qiáng)大的電磁吸力，無法絕對保證磁鋼保護(hù)層不被劃傷。針對以上情況我們主要采用如下方法，解決磁鋼保護(hù)層在裝配中的劃傷問題。結(jié)合電機(jī)設(shè)計(jì)中減少高次諧波在磁鋼中的渦流損耗，采用沖疊一體的工藝方法，用矽鋼片制造磁鋼盒，使磁鋼在不充磁狀態(tài)下與磁鋼盒進(jìn)行裝配，用環(huán)氧漆整體灌封后進(jìn)行充磁。這樣既保證了磁鋼保護(hù)層不被劃傷，又進(jìn)行了二次保護(hù)，進(jìn)一步加強(qiáng)了磁鋼的固定。使得在下一步的磁極裝配中，磁鋼的保護(hù)層不與任何接觸面產(chǎn)生滑動摩擦，避免磁鋼保護(hù)層的劃傷。具體工藝過程見圖1和圖2：21圖11. 沖疊一體的磁鋼盒 2. 未充磁的磁鋼圖2 磁鋼嵌入磁鋼盒將圖1中所示的

8、未充磁的磁鋼，按照設(shè)計(jì)要求，安裝到已經(jīng)沖疊為一體的磁鋼盒內(nèi)，組成磁極。安裝完畢后，用環(huán)氧漆將磁極整體灌封。最后進(jìn)行充磁。5.2.3 結(jié)論通過以上工藝處理的磁極，經(jīng)過試驗(yàn)證明，磁鋼的保護(hù)層完好?？梢苑乐闺姍C(jī)產(chǎn)生化學(xué)退磁。同時這種裝配結(jié)構(gòu)還可以方便的進(jìn)行永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的更換。經(jīng)過在湘電2MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用，效果良好。5.3 定位阻力矩永磁電機(jī)由于轉(zhuǎn)子上有磁鋼，因此本身有一定的阻力矩。作為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，此參數(shù)直接影響系統(tǒng)的起動風(fēng)速。我們通過改變槽數(shù)和等效極弧系數(shù)，通過有限源磁場分析、計(jì)算滿足整機(jī)要求。l 電機(jī)三維電磁場分析模型l 齒槽轉(zhuǎn)矩曲線5.4 減小轉(zhuǎn)子諧波損耗結(jié)合磁鋼的防護(hù)，將

9、硅鋼片沖疊一體的工藝方法制造成磁鋼盒，然后將磁鋼安裝到磁鋼盒中，使磁鋼磁路在磁鋼盒中形成回路，此方法有效減少諧波損耗。經(jīng)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子溫度較低；通過對轉(zhuǎn)子諧波損耗的分析，該結(jié)構(gòu)有效的減小了轉(zhuǎn)子的諧波損耗。磁鋼盒如下圖。5.5 主要工藝研究5.5.1 定子熱套工藝1）由于電機(jī)的散熱方式為自然風(fēng)表面冷卻，因此機(jī)殼和定子鐵心外圓接觸的面積越大，電機(jī)散熱的效果越佳。由此，工藝要保證電機(jī)機(jī)殼和定子鐵心的外圓的加工精度。2）選用合理過盈量，可以保證電機(jī)的最大扭矩。3）根據(jù)電機(jī)選用的過盈量，對機(jī)殼和定子鐵心的變形量進(jìn)行校算，得出電機(jī)機(jī)殼和定子鐵心的變形量小于0.3mm。l 有限元模型l 等效應(yīng)力l 接觸面壓力熱

10、套溫度210。結(jié)論：經(jīng)過有限元分析，機(jī)殼和定子鐵心的過盈量滿足輸出力矩的要求；機(jī)殼和定子鐵心的變形量小于0.3mm，不會影響電機(jī)性能。5.5.2 定子真空壓力浸電機(jī)定子鐵心的體積大，在浸漬過程中，存在定子鐵心槽內(nèi)掛漆量不足的問題，這將影響電機(jī)定子的絕緣。為了保證掛漆量，采用旋轉(zhuǎn)烘胚。5.5.3 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子裝配專用工裝由于轉(zhuǎn)子本身的帶磁問題，在轉(zhuǎn)子安裝到定子上時，裝配過程會引起轉(zhuǎn)子與定子的磕碰問題?？呐鰰p壞轉(zhuǎn)子鐵心，甚至?xí)茐拇配摫砻娣雷o(hù)層，最終將會影響電機(jī)的性能和使用壽命。為了解決這種安裝上的磕碰問題，設(shè)計(jì)專用工具。6. 結(jié)論本電機(jī)方案，無論在設(shè)計(jì)還是在制造上，均充分考慮了試制時間緊迫的情況。為最大限度滿足市場需求，增大研制的成功率，本方案采用工廠較為成熟的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝。通過樣機(jī)的試制，型式試驗(yàn)分析，本電機(jī)在性能上均滿足了整機(jī)對電機(jī)的技術(shù)要求。試 驗(yàn) 項(xiàng) 目設(shè) 計(jì) 值保 證 值試 驗(yàn) 值定子繞組相電阻15()0.006040.0055額定電流(A)2×981.51854.6額定電壓(V)660660功率角(degree)38.3-44.5額定功率(kW)211021102110效率(%)959596功率因數(shù)(超前)0.980.970.972額定轉(zhuǎn)速(r/min