2兆瓦永磁直驅(qū)風力發(fā)電機研制介紹-楊振河解析

1、第1頁共16頁北京湘電科技有限公司摘要摘要：由湘潭電機股份有限公司出資組建的風力發(fā)電合資公司，從荷蘭引進了風力發(fā)電系統(tǒng)的成套技術，其中發(fā)電機為ABB生產(chǎn)的永磁直驅(qū)發(fā)電機。由于ABB公司無法保證按時供貨而且電機價格昂貴，風力發(fā)電合資公司委托湘潭電機股份有限公司開發(fā)替代現(xiàn)有ABB電機的永磁直驅(qū)發(fā)電機。 在設計上，集合了國內(nèi)優(yōu)良資源，組成產(chǎn)學研一體的設計團隊，采用先進的有限源分析方法，著重解決了磁鋼化學退磁、 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)化等技術問題。在工藝上，對定子熱套浸漆、定轉(zhuǎn)子裝配進行了工藝研究。經(jīng)過樣機試驗，效果較好。一風電發(fā)展現(xiàn)狀一風電發(fā)展現(xiàn)狀1. 國外風力發(fā)電機的發(fā)展

2、現(xiàn)狀國外風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀歐盟，風能處于新能源的領頭羊地位在2007年在歐洲，風粗大約占了新發(fā)電裝機的40%A 徳國全球風電技術最先進的國家-2007年，風電裝機容量占全球的24篦來自鳳能的電力相當于徳國2007年電力總消費的7.2%出口成為其主要増長點第2頁共16頁西班牙007年， 在世界范圍的風電總裝機中排行第三美國新裝機總量連續(xù)三年處干世界領先地位2007年，全國的總裝機達列了15145兆瓦,可以滿足西班牙全國電力需求的10誥-2007年，風機裝機總量達到了16,818兆瓦，僅次干德國位居世界第二OJCOCFlOTO?CDIJJocncoOQTLLTLLLT灼Of( (T|村z8印度丹

3、麥印度新安裝了1730兆瓦，總袋機量大約為8*QOO兆瓦丹麥海上風能資源豐富，杲世界風能利用的先行者居世界第四2. 國內(nèi)風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀/豐富的風力資源風電發(fā)展具有良奸的講源基礎*特許權機制2003年，法改委推行風電特許權項目，擴大了風電開發(fā)規(guī)模，提高了國產(chǎn)設備制造能力/管理技術和經(jīng)驗在風電開發(fā)建設方面，中國已建成100多風電場，掌握了風電場運行管理的技術和經(jīng)驗/可再生能源法*200斥年開始，可再生能源法正武生效，大大促進了鳳電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展/并網(wǎng)風電場發(fā)展中國并網(wǎng)風電步入規(guī)?；l(fā)展的新階段， 離網(wǎng)風電也初具規(guī)模/最佳時機研發(fā)風力發(fā)電系統(tǒng)，盡快縮小我國鳳力發(fā)電與世界鳳力

4、發(fā)電技術水平之間的蓋距， 促進我國鳳電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前正面臨最佟時機曲理-.四。講西班牙年度/累廿風電叢機容量19.30-200脫位tH-2007年底風電裝機容量為3130MW,風電占其總發(fā)電量的20%iaSQ-200曙用J矍不虞/累計麹電寰機卷t第3頁共16頁3.預測預測短期預測短期預測IA 裁至20（刈年，歐洲將繼續(xù)占據(jù)主導地位2009年以后，全球風電競爭力進一步加強美洲，尤其是美國將在預測期末期致力于風電發(fā)展東南亞快速増長，尤其是印度和中國A 預計?2014年底，全球累計安裝量達235000MW,鳳電占全球總帙電量市場的2.3%2015年我園鳳力發(fā)電規(guī)模達到1500萬千瓦，2020年40

5、00萬千瓦，實現(xiàn)全國電力裝機總量3%風電裝機容量以、平均每年30%的速度遞増，有望成為世界最大的鳳電市場4.風力電機發(fā)展趨勢風力電機發(fā)展趨勢-2007年，全國新裝機容量達3304MW比2006年増長率為147.1%總裝機量也排列了世界第五從累計市場份額看*內(nèi)資與外資企業(yè)存在8.1號的差距鳳力發(fā)電機容的發(fā)展及預測AnnualWindPowerDevelopment遷換-西年.中國風電裝機容量增悅圖Actua199S21鼬血2009Samg砒伽規(guī)林-仙飲5第4頁共16頁當前，風力發(fā)電丟統(tǒng)發(fā)電機單機容量越來越大當前，風力發(fā)電丟統(tǒng)發(fā)電機單機容量越來越大; ;有利于減少有利于減少占地，降低并網(wǎng)成本和單位

6、功率造價，兆瓦級風力發(fā)電機將在占地，降低并網(wǎng)成本和單位功率造價，兆瓦級風力發(fā)電機將在風電場中占主導地位風電場中占主導地位風力發(fā)電機正在逐步實現(xiàn)直驅(qū)化，這是一種很有發(fā)展前途的技術，屬于國際前沿先進項目取消增速齒輪箱，電機軸直接連接到風機軸上，轉(zhuǎn)速隨風速而改變， 其交流電的頻率隨之變化， 經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器， 將頻率不定的交流電整流成直流電， 再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電在所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，提髙了捕捉風能的效率.試驗表明，在平均風速6.7m/s時，變速風電機要比恒速風電機多捕獲15%的風能機艙重量減輕，改善各部件受力狀況，風機支撐結(jié)構(gòu)減輕，基礎建設費用和運行維

7、護費用較低第5頁共16頁永磁發(fā)電機型風力發(fā)電系統(tǒng)是未來風力發(fā)電技術的主要方向，對大型直驅(qū)式設計尤其如此系統(tǒng)的電能輸岀是按它獲得的空氣體積的三次方增加的,隨著風力發(fā)電機組單機容量不斷増大，系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)部件的重量也會成比例増加，因此開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單的兆瓦級永磁發(fā)電機具有較大的優(yōu)勢隨著永磁材料技術，現(xiàn)代電力電子技術，控制技術的迅速發(fā)展，兆瓦級永磁風力發(fā)電機風電系統(tǒng)市場前景一片光明二湘電二湘電 2 兆瓦風力發(fā)電機介紹兆瓦風力發(fā)電機介紹兆瓦級永磁直趨化1.電機技術要求電機技術要求2.1電機結(jié)構(gòu)二維示意圖第6頁共16頁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電機結(jié)構(gòu)三維示意圖電機整體示意1

8、 1第7頁共16頁電機分解示意3. 電機主要參數(shù)電機主要參數(shù)電機型號GPM-1-2000電機型式永磁同步防護等級IP55冷卻方式風冷絕緣等級F符合標準GB755-2000環(huán)境溫度（外部空氣）40C相對空氣濕度100%安裝最大海拔咼度1000m工作制S1額定功率2110kW額定功率因數(shù)0.97額定電壓660V極數(shù)60相數(shù)2X3頻率11.25Hz定子.!*第8頁共16頁額定電流2X924.775A第9頁共16頁額定轉(zhuǎn)速22.5rpm效率95%額定轉(zhuǎn)矩933228N.m接法YY轉(zhuǎn)子重量11118.25kg電機重量47291kg轉(zhuǎn)動慣量28059kg.m24. 電磁性能分析電磁性能分析4.1靜態(tài)磁場分

9、析電機二維1/6分析模型磁力線分布磁密分布氣隙磁密分布A.U.-JJEFML 9妙詢DLtMH44aDL.TimiMWDX.iSamKWOI.KIKWOI.-a第10頁共16頁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。MognellluxbensitgMagnetFluxDensilynnecieBackEWvsTimeiL-iCdKilamwi-imwiTbEJOB15第11頁共16頁4.4發(fā)電性能分析空載第12頁共16頁4.6發(fā)電性能分析接電網(wǎng)（負載2MW）結(jié)論：通過對通過對2MW602MW60極永磁同步發(fā)電機的磁路分析極

10、永磁同步發(fā)電機的磁路分析，發(fā)電性能分析發(fā)電性能分析，論證了該永論證了該永磁發(fā)電機的性能如下：磁發(fā)電機的性能如下：1）當發(fā)電機單獨負載2MW供電時，電機效率大于95%。2）當發(fā)電機與電網(wǎng)連接時，可在滿載范圍內(nèi)保證高的發(fā)電性能指標（電機效率大于95.5%）。3）6相突然短路時，永磁體不會退磁。4.5發(fā)電性能分析獨立負載ysTiivefiDJXa衛(wèi)rrquevsThe第13頁共16頁5. 主要解決的技術問題主要解決的技術問題5.1多方案比較結(jié)論：在試制造設計階段，設計團隊對以上提出的方案，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證等四個方面進行了論證，最終采用了方案八。

11、該方案在體積上和ABB相當，并且考慮到?jīng)]有此類電機的設計生產(chǎn)經(jīng)驗，而且該方案電機的磁密、電密、熱負荷都留有較大裕度。5.2防磁鋼退磁5.2.1永磁電機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，電機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，在設計時只要保證校算短路狀態(tài)下磁鋼工作點在磁鋼工作曲線拐點以上，就能保證電機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，拐點基本在0.2以下，只要設計合理完全能滿足電機要求。2）高溫退磁：主要控制電機熱負荷保證電機溫升小于磁鋼使用溫度。采取措

12、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）化學退磁：以上二種退磁都是在特定條件下發(fā)生的，只要設計得當，保證材料性能，就能防止退磁發(fā)生，均與磁鋼壽命無關。只有化學退磁是逐步發(fā)生的，直接影響磁鋼的使用壽命。磁鋼的化學失效主要源于磁鋼中的稀有金屬和氫元素的化學反應，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磁鋼的化學失效及其解決方法：要想解決磁鋼長期化學失效的問題，首要的是要做好磁鋼的防護。磁鋼在出廠前已經(jīng)根據(jù)設計的防護要求，做好了防護層。在保證磁鋼防護層完好的情況下，是可以保證磁鋼的使用壽命。可是如何保證磁鋼在裝配過

13、程中保護層不受損傷，是工程上要解決的主要問題。目前，在大型永磁電機中，還無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子整體充磁。普遍采用先充磁后裝配的工藝方法。使用這種方法時，盡管采用工裝或?qū)Ｓ迷O備，但由于磁鋼強大的電磁吸力，無法絕對保證磁鋼保護層不被劃傷。針對以上情況我們主要采用如下方法，解決磁鋼保護層在裝配中的劃傷問題。結(jié)合電機設計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)下與磁鋼盒進行裝配，用環(huán)氧漆整體灌封后進行充磁。這樣既保證了磁鋼保護層不被劃傷，又進行了二次保護，進一步加強了磁鋼的固定。使得在下一步的磁極裝配中，磁鋼的保護層不與任何接觸面產(chǎn)生滑動摩擦，避免磁鋼保護

14、層的劃傷。具體工藝過程見圖1和圖2：第14頁共16頁圖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中所示的未充磁的磁鋼， 按照設計要求， 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)過試驗證明，磁鋼的保護層完好?？梢苑乐闺姍C產(chǎn)生化學退磁。 同時這種裝配結(jié)構(gòu)還可以方便的進行永磁電機轉(zhuǎn)子磁極的更換。 經(jīng)過在湘電2MW永磁直驅(qū)風力發(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)風力發(fā)電機， 此參數(shù)直接影響系統(tǒng)的起動風速。 我們通過改變槽數(shù)和等效

15、極弧系數(shù)，通過有限源磁場分析、計算滿足整機要求。電機三維電磁場分析模型12第15頁共16頁齒槽轉(zhuǎn)矩曲線5.4減小轉(zhuǎn)子諧波損耗結(jié)合磁鋼的防護，將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，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(關SSX壬電第16頁共16頁5.5.1定子熱套工藝1）由于電機的散熱方式為自然風表面冷卻，因此機殼和定子鐵心外圓接觸的面積越大，電機散熱的效果越佳。由此，工藝要保證電機機殼和定子鐵心的外圓的加工精度。第17頁共16頁2）選用

16、合理過盈量，可以保證電機的最大扭矩。3）根據(jù)電機選用的過盈量，對機殼和定子鐵心的變形量進行校算，得出電機機殼和定子鐵心的變形量小于0.3mm。有限元模型等效應力接觸面壓力M(AVG)00197S442E 442E+07 959E+0748E+08 199E+08 251E+08.701E+07.122E+08.174E+08.225E+08.277E+08第18頁共16頁:KNJCXNSUMMATIONOFTOTALFORCESANDMOMENTSINCOORDINATESVSTEM11NOTE：THESUMISDONEINCOORDINATESVSTEM11FX=-494356.5F=0.2

17、272570FZ=0.2603695E-11MX=0.3443162E-01M=84040.61MZ=-0.8499293E-10SUMMATIONPOINT=0-00000-00000-0000熱套溫度210C。結(jié)論：結(jié)論：經(jīng)過有限元分析，機殼和定子鐵心的過盈量滿足輸出力矩的要求；機殼和定子鐵心的變形量小于0.3mm,不會影響電機性能。5.5.2定子真空壓力浸電機定子鐵心的體積大,在浸漬過程中,存在定子鐵心槽內(nèi)掛漆量不足的問題,這將影響電機定子的絕緣。為了保證掛漆量,采用旋轉(zhuǎn)烘胚。5.5.3設計轉(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。 磕碰會損壞轉(zhuǎn)子鐵心,甚至會破壞磁鋼表面防護層,最終將會影響電機的性能和使用壽命。為了解決這種安裝上的磕碰問題,設計專用工具。6.結(jié)論結(jié)論本電機方案,無論在設計還是在制造上,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。通過樣機的試制,型式試驗分析,本電機在性能上均滿足了整機對電機的技術要求。試驗項目設計值保證值試驗值定子繞組相電阻15C(Q)0.006040.0055額定電流(A)2X981.51854.