李紅軍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

2011 年風(fēng)力發(fā)電在高速發(fā)展之后迅速陷入萎縮調(diào)整期，風(fēng)電整體行業(yè)也從波峰跌至谷底。2013 年在國家政策的支持下，風(fēng)電行業(yè)逐步復(fù)蘇。特別是在今年初，國家能源局提出，2014 年有序發(fā)展風(fēng)電并實現(xiàn)新增裝機1 800 萬千瓦的目標(biāo)，并給予雙重政策支持，保持風(fēng)電平穩(wěn)持續(xù)發(fā)展，推動建立誠信健康的風(fēng)電市場秩序，繼續(xù)做好風(fēng)電的市場消納工作。得益于國家政策條件的支持，今年無論是風(fēng)電發(fā)電企業(yè)還是設(shè)備制造商都將受益，迎來新一輪發(fā)展契機。

1 2MW 風(fēng)力發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

額定功率:2 100kW;額定定子電壓:690V;定子額定功率:1 800kW;定子額定電流:1 500A;轉(zhuǎn)子額定功率:350kW;轉(zhuǎn)子開路電壓:2 100V;額定頻率:50Hz;極數(shù):4 極;額定轉(zhuǎn)速:1 800r/min;轉(zhuǎn)速范圍:1 000 ～2 000r/min;額定功率因數(shù):1;效率:≥97;中心高:H500;冷卻方式:水夾套冷卻。

2 電磁設(shè)計

電磁設(shè)計方案是根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求，并考慮制造運行的經(jīng)濟合理性和可靠性，確定發(fā)電機的電磁負(fù)荷以及與電磁性能有關(guān)的有效部分的尺寸，包含電機的定、轉(zhuǎn)子沖片和鐵心尺寸及繞組數(shù)據(jù)等，選定材料，并核算電磁性能和有關(guān)參數(shù)。

2.1 沖片尺寸及槽配合的選擇

電機沖片三圓尺寸的選擇不僅要滿足機械結(jié)構(gòu)和通風(fēng)結(jié)構(gòu)的要求，還要考慮沖片的通用化、以及沖片套裁的合理應(yīng)用等，所以電機三圓的選擇十分重要。由于此次設(shè)計發(fā)電機中心高小，功率密度高，為保證電機負(fù)荷在合理范圍內(nèi)，定子沖片外徑應(yīng)盡可能選擇大沖片外徑，發(fā)電機沖片中徑應(yīng)盡量選小，以提高定子利用率及減小發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量。但沖片中徑過小，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子齒部磁密、軛部磁密及轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷急劇上升，綜合考慮電機熱負(fù)荷、磁負(fù)荷，此次電機外徑尺寸為φ900，中徑定為φ653。另外，電機還需要選擇合理的槽配合，如果選擇的不合理，將會產(chǎn)生較大的寄生切向力和徑向力，破壞電機的起動性能，而且槽配合的選擇直接影響著電機的電磁噪聲。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機而言，在選擇電機槽配合時，不僅要考慮上述方面，更重要的是要考慮轉(zhuǎn)子嵌線、彎形、焊接等方面的工藝性及可操作性。本次在槽配合的選擇上定為72/96［1］。

2.2 定、轉(zhuǎn)子槽型的選擇

MW 級雙饋風(fēng)力發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子繞組類型為一般成型繞組，所以其定、轉(zhuǎn)子槽型?？梢赃x用開口槽、半開口槽、半閉口槽三種類型的槽型。在選擇具體槽型及尺寸的時候，各電機制造廠商應(yīng)結(jié)合自身工藝水平進行選擇。本次設(shè)計，定子沖片選用開口槽、轉(zhuǎn)子沖片選用半閉口槽。由于定、轉(zhuǎn)子槽開口的影響，發(fā)電機的氣隙磁密中存在一定的齒諧波;同時繞組中還存在高次諧波。這會影響到發(fā)電機感應(yīng)電勢的波形，使電壓波形正弦性畸變率變大。根據(jù)GB 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能》中的要求該功率等級發(fā)電機的電壓正弦畸變率(THD)小于5%。本次設(shè)計通過Maxwell有限元分析軟件對定子電壓波形進行仿真分析并對其諧波含量進行傅里葉級數(shù)分解，如圖1、圖2 所示［2］。

圖1 定子電壓波形

圖2 定子電壓傅里葉級數(shù)分解

通過計算值，定子相電勢諧波畸變率為2.4%，在實際運行當(dāng)中，對稱三相系統(tǒng)中各相電動勢的三次諧波在時間上均為同相，且大小相等，在角接繞組中，三次諧波電動勢完全消耗于克服環(huán)流所產(chǎn)生的壓降，所以發(fā)電機線端不存在三次諧波電動勢，也不存在三的倍數(shù)次諧波。因此，我們將相電勢中三次及三的倍數(shù)次諧波刪除后再進行計算，定子線電勢諧波畸變率為2.0%。

2.3 負(fù)荷的選取

在電磁設(shè)計時，考慮到雙饋風(fēng)力發(fā)電機整個運行范圍內(nèi)的溫升及效率，以及轉(zhuǎn)子采用變頻器供電時電機的諧波影響，電機的電磁負(fù)荷、熱負(fù)荷應(yīng)留有足夠的裕量，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電流密度及線負(fù)荷設(shè)計均應(yīng)較普通YR 型電機低;發(fā)電機定轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷AJ 比YR 型電機大約低30%左右，一般為900 ～1300;因其定轉(zhuǎn)子繞組的對地絕緣厚度相當(dāng)，轉(zhuǎn)子的熱負(fù)荷較定子熱負(fù)荷最好略低;同功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機空冷比水冷應(yīng)略低(約200 ～300)。

發(fā)電機磁負(fù)荷選取應(yīng)略低于常規(guī)發(fā)電機。特別應(yīng)注意超負(fù)荷(如1.1 倍、1.15 倍額定功率)、高網(wǎng)壓、低功率因數(shù)時的定轉(zhuǎn)子齒磁密(轉(zhuǎn)子齒磁密Bt2可比定子齒磁密Bt1略高，因其只會使功率因數(shù)降低，不會導(dǎo)致鐵耗增加)，根據(jù)經(jīng)驗，兩者最好都不要超過1.53T;發(fā)電機氣隙磁密Bg不宜過高，最好在0.7T 以內(nèi)［3］。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)電機的使用要求、技術(shù)條件以及電磁設(shè)計所確定的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括電機的機械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸，材料的規(guī)格、性能以及加工要求。根據(jù)技術(shù)要求，機座采用圓筒機座、水夾套方式，電機端蓋、軸承裝配采用一體化絕緣端蓋。軸伸端與非軸伸端均安裝接地碳刷。電機帶自動注油裝置、測溫裝置、加熱器、編碼器等。

3.1 機座

機座整體結(jié)構(gòu)采用水夾套機座。機座從內(nèi)到外分別為機座筒、水夾套、軸向通風(fēng)道、機座外壁。機座兩端焊接法蘭環(huán)。機座側(cè)面焊接進水管、出水管、排氣管，并焊接定子接線盒座。采用此種機座，由于機座內(nèi)部鋪設(shè)循環(huán)水路作為冷卻器，直接冷卻定子及電機內(nèi)部出來的熱空氣，冷氣效果明顯，同時明顯減小電機外形尺寸，減輕電機重量。機座整體三維圖見圖3。

圖3 機座三維圖

3.1.1 機座固有頻率分析

由于風(fēng)力發(fā)電機安裝在幾十米高的機艙內(nèi)，電機會經(jīng)常隨機艙一起晃動，加上勵磁電源頻率的影響，電機設(shè)計不當(dāng)會引起共振。此次設(shè)計用ANSYS 有限元軟件對電機機座固有頻率進行仿真分析，機座一階固有頻率為84Hz，避開了一階工頻50Hz，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。分析云圖見圖4所示。

圖4 機座固有頻率分析

3.2 定子鐵心

電機定子鐵心采用扣片結(jié)構(gòu)，扣片與定子壓圈、定子沖片壓緊、兩端壓圈與扣片焊接成為一體;保證鐵心沖片的疊壓系數(shù)不低于0.97，沖片齒部彈開量不大于2mm。定子鐵心外徑需要加工，單邊加工0.5mm。這樣能夠使定子鐵心外徑與機座緊密配合，降低鐵心與機座的熱阻，改善電機的冷卻效果，并可以提高整個定子的剛度。定子鐵心與機座過盈量0.06 ～0.25mm。

3.3 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用為軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子鐵心、支撐環(huán)、轉(zhuǎn)子線圈、極間連線、中線、轉(zhuǎn)子引接線、內(nèi)風(fēng)扇、集電環(huán)-刷架等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

3.4 軸承結(jié)構(gòu)

發(fā)電機采用三軸承結(jié)構(gòu)。驅(qū)動端軸承為NU1032-M1-C3 和6032-M-C4，非驅(qū)動端軸承為NU1032-M1-C3，軸承全部為輕系列軸承。經(jīng)計算，軸承壽命≥170 000h，滿足風(fēng)電行業(yè)使用要求。

3.5 滑環(huán)

本次設(shè)計滑環(huán)采用φ320 滑環(huán)，放置于軸承的外側(cè)，即電機的尾端。為了減小碳刷的電密以及增加散熱面積，每相6 只碳刷?；h(huán)罩內(nèi)安裝一個離心風(fēng)扇，一方面對滑環(huán)、碳刷進行冷卻，另一方面將對碳粉收集后將其排除滑環(huán)罩。

4 結(jié)語

在本次2MW 水夾套冷卻雙饋風(fēng)力設(shè)計過程中，我們應(yīng)用了AutoCAD、Ansoft、ANSYS、Solid-Works 等先進的設(shè)計手段，對電機的電磁設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了充分論證，并且優(yōu)化了電機的設(shè)計方案，充分的改善了水夾套冷卻雙饋風(fēng)力發(fā)電機的各項性能，在電機運行時收到了良好的效果。

［1］ 陳世坤.電機設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 鄭文鵬，羅新華，施進浩等.基于Maxwell2D 兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機有限元仿真方法，微電機，2008.10.

［3］ 張勝男，潘波.雙饋、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機特點分析，防爆電機，2012.3.

［4］ 劉萬琨.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.3.2007.

［5］ 張東宇，張勝男.永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機電磁設(shè)計及仿真分析，防爆電機，2014.3.