李 娟

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原 030027）

0 概述

風(fēng)電是開發(fā)綠色能源的一種形式，近年來我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，目前2MW及其以下的陸用風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，生產(chǎn)已經(jīng)逐漸具備規(guī)模，各風(fēng)電總裝廠已經(jīng)陸續(xù)向海上風(fēng)電發(fā)展，但由于該技術(shù)仍處于研發(fā)階段，為保證海上風(fēng)電的順利發(fā)展，同時(shí)也為了適應(yīng)國家的風(fēng)電發(fā)展政策，一些廠家以近海為基地，發(fā)展間于海上和陸地之間的海邊風(fēng)電，逐步向海上過渡，而3MW風(fēng)電機(jī)組因當(dāng)前國內(nèi)整體配套能力的提高，已經(jīng)成為風(fēng)電發(fā)展的新趨勢(shì)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

額定功率 3.3MW

額定功率因數(shù) 1.0

速度范圍 500 rpm～1250 rpm

頻率范圍 33.3 Hz～83 Hz

額定轉(zhuǎn)速 1000 rpm

額定頻率 66.7 Hz

額定電壓 733V

額定電流 2×1300A

絕緣等級(jí) F/H

冷卻方式 空水冷卻

2 設(shè)計(jì)說明

2.1 原理概述

該三相無刷同步發(fā)電機(jī)由主發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器等主要部分組成，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器都裝在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，主發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)極式，交流勵(lì)磁機(jī)為轉(zhuǎn)樞式。勵(lì)磁機(jī)磁極固定在定子端蓋內(nèi)側(cè)。勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁由勵(lì)磁系統(tǒng)提供。當(dāng)發(fā)電機(jī)被拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)給勵(lì)磁機(jī)定子輸入電流，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后輸入主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，主發(fā)電機(jī)的輸出電壓，經(jīng)勵(lì)磁系統(tǒng)取樣分析比較后，自動(dòng)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流直到主發(fā)電機(jī)的電壓達(dá)到設(shè)定值。勵(lì)磁系統(tǒng)由用戶配置。

本發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)框圖

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

本發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)主要由主機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、機(jī)座、端蓋組、冷卻器、旋轉(zhuǎn)整流器等組成。主機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器同軸安裝，主機(jī)定子鐵芯熱套于機(jī)座中，勵(lì)磁機(jī)位于非驅(qū)動(dòng)端，旋轉(zhuǎn)整流模塊位于勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子和主機(jī)轉(zhuǎn)子中間，并在機(jī)座上與其相對(duì)應(yīng)的位置留有檢修孔，方便旋轉(zhuǎn)整流模塊的檢修安裝。編碼器裝在軸BS端部。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)座設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了機(jī)座的剛度、強(qiáng)度、通風(fēng)結(jié)構(gòu)、出線布置及與水冷卻器的安裝方式等方面的影響因素。電機(jī)機(jī)座采用Q235鋼板和鋼管焊接的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，機(jī)座兩端有25mm端板，中間在AS側(cè)和BS側(cè)分別設(shè)有隔板組，隔板組支撐定子鐵心。縱向有鋼管支撐在兩隔板之間；箱體兩側(cè)由8mm的左右壁板圍起。

在對(duì)機(jī)座的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合考慮了對(duì)風(fēng)路的影響，保證通風(fēng)結(jié)構(gòu)的可行性。另外在中間隔板上設(shè)計(jì)了定位臺(tái)階以實(shí)現(xiàn)定子鐵心軸向的可靠定位，兼顧了定子鐵心和機(jī)座配合連接的可靠性問題，經(jīng)計(jì)算，即使在電機(jī)短路的情況下仍能滿足連接緊固的要求。（機(jī)座結(jié)構(gòu)見圖2）

圖2 機(jī)座結(jié)構(gòu)

3.2 定子鐵芯

定子鐵芯是用0.5mm厚的50W470冷軋硅鋼片疊壓而成。鐵心共分為14段，每段長(zhǎng)51，每段之間有1道寬10mm的軸向通風(fēng)道，通風(fēng)道間焊有足夠數(shù)量的通風(fēng)片。

定子鐵芯兩端分別固定有定子端板和定子壓板，在兩個(gè)定子壓板間與鐵芯的外表面焊接12根筋，每個(gè)筋截面為63×20，兩筋最小間距195。定子鐵芯焊接完成后加工兩壓板外圓止口，與機(jī)座配合。（定子鐵芯結(jié)構(gòu)見圖3）

圖3 定子鐵芯結(jié)構(gòu)

3.3 軸承組

該發(fā)電機(jī)的軸承布置采用驅(qū)動(dòng)端固定，非驅(qū)動(dòng)端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式。驅(qū)動(dòng)端軸承由圓柱滾子軸承NU1040和深溝球軸承6040構(gòu)成。非驅(qū)動(dòng)端軸承為圓柱滾子軸承NU1040。徑向載荷主要由驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的圓柱滾子軸承承擔(dān)，而深溝球軸承在徑向方向處于浮動(dòng)，只承擔(dān)軸向載荷，這樣可充分發(fā)揮圓柱滾子軸承徑向承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過球軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向可靠定位。

在AS軸承組中，內(nèi)、外軸承蓋均采用彈簧結(jié)構(gòu)將軸承軸向預(yù)緊，它是利用彈簧使軸承承受一定的軸向載荷并產(chǎn)生預(yù)變形。（軸承組結(jié)構(gòu)見圖4）

圖4 軸承組結(jié)構(gòu)

3.4 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器同軸連接，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱套于軸鐵芯檔處、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子與軸采用鍵連接，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯用鉚釘軸向鉚緊，兩端均布置了壓環(huán)，旋轉(zhuǎn)整流器均勻布置于主機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子間的軸上。

主機(jī)轉(zhuǎn)子的AS、BS兩端均裝有異型護(hù)環(huán)，異型護(hù)環(huán)上都裝有平衡環(huán)，可以根據(jù)實(shí)際動(dòng)平衡需要在平衡環(huán)圓周布置平衡塊。

3.5 定子引線設(shè)計(jì)

該電機(jī)為8極6相，軛部較小，從AS端引線，定子端部焊連接片，定子入殼后，通過電纜引至主出線盒導(dǎo)電銅排上，為提高電纜的穩(wěn)定性，在機(jī)座上焊有一支架，支架上固定有絕緣板，電纜從定子端部引出先經(jīng)過該絕緣板，再用螺栓固定在導(dǎo)電銅排上，導(dǎo)電銅排固定在厚16的絕緣板上，導(dǎo)電銅排為分層階梯式設(shè)計(jì)。（定子引線結(jié)構(gòu)見圖5）

圖5 定子引線結(jié)構(gòu)

3.6 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此發(fā)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)采用的是兩對(duì)稱的風(fēng)路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一風(fēng)路所需的風(fēng)量為總風(fēng)量的一半。在每一風(fēng)路結(jié)構(gòu)中包含一離心風(fēng)機(jī)。離心風(fēng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道片聯(lián)合運(yùn)行，主要通過強(qiáng)迫式離心風(fēng)機(jī)提供所需風(fēng)壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體內(nèi)空氣的循環(huán)流動(dòng)，并最終實(shí)現(xiàn)將電機(jī)內(nèi)部的損耗通過水冷卻器帶出，以滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行的要求。本電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)主要借鑒了2MW高原電機(jī)和試驗(yàn)站用2.8MW電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)本電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)布置，確定主機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)設(shè)計(jì)采用12個(gè)軸向通風(fēng)孔加14個(gè)徑向通風(fēng)道，主機(jī)定子鐵芯上亦設(shè)計(jì)14個(gè)徑向通風(fēng)口，轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部通過一沒有通風(fēng)孔的沖片將風(fēng)路一分為二。考慮到繞組端部的冷卻問題，設(shè)計(jì)時(shí)將外風(fēng)路冷卻風(fēng)機(jī)向內(nèi)側(cè)偏移，使得一部分風(fēng)吹到繞組端部。（通風(fēng)結(jié)構(gòu)見圖6）

圖6 通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語

通過上述分析可以看出，電機(jī)設(shè)計(jì)中充分貫徹了通用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性原則，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的分析計(jì)算，總體設(shè)計(jì)布局科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理，各種分析計(jì)算確實(shí)可行，可以保證發(fā)電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，今后我們將跟蹤產(chǎn)品的使用狀況，聽取用戶的意見，及時(shí)改進(jìn)，使該產(chǎn)品的技術(shù)性能得到進(jìn)一步的提高。