張曉敏

(上海電氣集團(tuán)上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

永磁電機采用永磁體勵磁，無需勵磁電流，且永磁體結(jié)構(gòu)、形狀多樣，尺寸選擇靈活，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強，所以永磁電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，力矩慣量比大，具有高效率、高性能、高功率密度的優(yōu)點。故而永磁電機具有常規(guī)電機無法比擬的優(yōu)點，應(yīng)用范圍也極為廣泛。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源供求緊張狀況凸現(xiàn)，傳統(tǒng)能源造成的污染給社會發(fā)展帶來很多問題，以風(fēng)力發(fā)電為代表的清潔能源越來越受到人們的重視。目前，永磁直驅(qū)發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用越來越廣泛。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較雙饋發(fā)電機系統(tǒng)而言，不存在低電壓穿越問題，且省去了齒輪箱和滑環(huán)，需要維護(hù)部件少，可靠性高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，在可運行范圍內(nèi)都具有較高的效率。

我公司研制了一臺160 kW低速永磁同步發(fā)電機，通過對該發(fā)電機的設(shè)計、制造和測試，對低速永磁同步發(fā)電機的設(shè)計特點進(jìn)行研究。為后續(xù)大功率海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計提供經(jīng)驗。

1 發(fā)電機技術(shù)條件

1.1 電氣參數(shù)

額定功率：160 kW

額定電壓：670 V

額定轉(zhuǎn)速：120 r/min

最大轉(zhuǎn)速：200 r/min

頻率：30 Hz

額定電流：162 A

功率因素：>0.8

效率：≥95%

相數(shù)：3

繞組接法：Y接

絕緣等級：H

工作制：S1

1.2 機械參數(shù)

結(jié)構(gòu)類型：外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子

旋轉(zhuǎn)方向：順時針

額定輸入轉(zhuǎn)矩：13.4 kN·m

齒槽轉(zhuǎn)矩：≤0.5%的額定轉(zhuǎn)矩

外圓直徑：Φ1 900 mm

最大長度：955 mm

質(zhì)量：約3 500 kg

冷卻方式：IC418

防護(hù)等級：IP54

噪聲：≤87 dB(A)(聲壓級)

防腐等級：外部C4,內(nèi)部C3

1.3 環(huán)境參數(shù)

額定使用環(huán)境溫度：-20～40 ℃

降功率使用環(huán)境溫度：40～45 ℃

儲存及運輸環(huán)境溫度：-40～70 ℃

最大海拔高度：1 000 m

最大相對濕度：95%

2 電磁方案設(shè)計

本文低速永磁發(fā)電機采用徑向磁場，內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子，定子繞組采用集中繞組，轉(zhuǎn)子磁極采用表貼突出式安裝形式。表1為電磁設(shè)計參數(shù)。

表1 電磁設(shè)計參數(shù)

2.1 分?jǐn)?shù)槽集中繞組特點

低速永磁發(fā)電機定子齒為平行齒，線圈為分?jǐn)?shù)槽集中繞組。定子線圈采用5根2.8 mm×4.75 mm漆包銅扁線并繞19匝制成。定子線圈實物以及線圈布置結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 定子線圈實物圖

圖2 線圈布置結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機每極每相槽數(shù)q=1/2，即分?jǐn)?shù)槽，節(jié)距y=1，采用該設(shè)計的集中繞組的特點：

(1) 容易實現(xiàn)多極少槽的設(shè)計：發(fā)電機定子極數(shù)多時，定子軛部尺寸薄，硅鋼片用量省，體積小重量輕；定子槽數(shù)少，定子槽內(nèi)絕緣占比小，元件數(shù)量少，嵌線簡單；每極電樞反應(yīng)去磁磁勢低，提高了低速運行平穩(wěn)性。

(2) y=1的集中繞組：線圈結(jié)構(gòu)簡單，端部連接工藝也簡單；線圈端部短，線圈長度短，銅耗小，體積小，線圈端部散熱好，可以提高發(fā)電機的功率密度；在發(fā)電機體積較大時，可以設(shè)計為分塊結(jié)構(gòu)，便于制造浸漆和運輸。

(3) 分?jǐn)?shù)槽：可以降低齒槽反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩波動；分?jǐn)?shù)次磁場諧波，磁體渦流損耗增加。

(4) 極槽相近的配合：諧波漏抗大幅增加，氣隙磁密存在畸變，有低階次空間徑向力波。

2.2 永磁體性能特點

發(fā)電機轉(zhuǎn)子永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼，型號42SH，20 ℃時磁力特性如下：

(1) 剩磁感應(yīng)強度：1.28～1.32 T；

(2) 矯頑力(Hcb)≥987 kA/m(≥12.4 kOe)；

(3) 內(nèi)稟矯頑力(Hcj)≥1 600 kA/m(≥20 kOe)；

(4) 最大磁能積(BHm)：40～43 MGOe；

(5) 溫度系數(shù)： αBr=-0.12%/C; αjHc=-0.55%/C；

(6) 退磁曲線：100 ℃下的退磁曲線成為一條直線，無拐點；

永磁體防腐采用噴涂環(huán)氧樹脂工藝，厚度10～30 μm。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸向布置兩塊大永磁體，每塊永磁體由5片小永磁體用丙烯酸酯膠水黏結(jié)形成。永磁體上端兩尖角進(jìn)行45°倒角處理，使永磁體和齒槽旋轉(zhuǎn)交錯時變化緩和，這樣能使磁轉(zhuǎn)矩幅度變化連續(xù)而平穩(wěn)，有利于減少波形畸變和噪聲。

2.3 永磁體布置結(jié)構(gòu)特點

本文低速永磁發(fā)電機采用表面突出式永磁體安裝方式，漏磁系數(shù)小，永磁體用量少，經(jīng)濟性好。

永磁發(fā)電機需要盡可能的降低齒槽轉(zhuǎn)矩。降低齒槽轉(zhuǎn)矩的一般方法為斜極或斜槽。斜極和斜槽其實是等效的，轉(zhuǎn)子斜極可以看成定子斜槽的相對等效。根據(jù)電機原理，轉(zhuǎn)子斜極機械角度計算=360°/(定子槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù))，此時從理論上可以完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩。

而本文發(fā)電機定子采用集中繞組，定子槽數(shù)少、鐵心較短，在工藝制造上實現(xiàn)斜極或斜槽都較為困難。發(fā)電機永磁體布置采用偏極的形式來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，永磁體布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 永磁體尺寸

發(fā)電機轉(zhuǎn)子共30極，每5個極為一組，一組內(nèi)每極間偏移0.8機械角度，即由原來的每極之間12°減小到11.2°。每組磁極之間對稱。通過ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行對比分析計算，偏極處理前后，齒槽轉(zhuǎn)矩波形對比如圖4所示。

2.4 有限元仿真分析

根據(jù)第2節(jié)設(shè)計的永磁發(fā)電機相關(guān)電磁數(shù)據(jù)和參數(shù)，在ANSYS有限元軟件中建立幾何模型。建立的模型如圖5所示。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩波形對比圖

圖5 電磁模型

模型建立好后，對模型的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行賦予材料參數(shù)并添加邊界條件。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時，在磁場變化劇烈的位置對網(wǎng)格進(jìn)行加密剖分，可以提高計算精度。最后對程序進(jìn)行求解計算。

對發(fā)電機空載磁密和空載反電勢結(jié)果進(jìn)行計算和分析，結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 發(fā)電機空載磁密圖

圖7 75 ℃時空載電勢

對發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計算和分析，計算值為56.8 N·m，滿足技術(shù)條件小于0.5%的額定轉(zhuǎn)矩的要求。

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)電機的主要組成部件有定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等。發(fā)電機外形為扁平圓柱形狀，采用成熟的外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

發(fā)電機機座為薄壁鑄件，外表面帶有散熱筋，機座上有法蘭孔與機艙連接。機座與定子鐵心之間采用熱套過盈配合。定子鐵心整圓由5片定子扇形片交錯疊壓組成，每層沖片之間拼縫錯開。定子沖片固定采用螺桿緊固，為了避免螺桿中產(chǎn)生渦流損耗，定子鐵心緊固螺桿需包扎聚芳纖維紙，并額外加墊了2層絕緣墊圈。

發(fā)電機轉(zhuǎn)軸為鍛鋼空心軸，軸頭采用法蘭與輪轂連接，軸尾通過螺紋與剎車連接裝置。發(fā)電機軸伸端軸承采用單列圓錐滾子推力軸承，非軸伸端采用圓柱滾子軸承。為避免有磁性的轉(zhuǎn)子影響裝配，永磁體安裝在定轉(zhuǎn)子穿轉(zhuǎn)及端蓋安裝之后。永磁體通過端蓋處的缺口，采用專門的永磁體安裝工裝進(jìn)行安裝，如圖9所示。

圖9 永磁體安裝示意圖

4 絕緣系統(tǒng)設(shè)計

低速永磁發(fā)電機絕緣系統(tǒng)采用先進(jìn)的H級少膠絕緣技術(shù)體系。少膠絕緣體系在同樣的耐壓情況下，尺寸比中膠絕緣體系要薄，可以提高槽空間的銅線利用率。本文低速永磁發(fā)電機同時采用了VPI真空壓力整浸技術(shù)。發(fā)電機經(jīng)過VPI工藝處理后，絕緣性能大幅提升，機械強度變強，可以防止短路故障，提高防潮能力，延長電機的使用壽命。

5 試驗測試

發(fā)電機制造完成后，對發(fā)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了測試，實測齒槽轉(zhuǎn)矩為61.2 N·m，小于70 N·m。

發(fā)電機參照GB 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能》和GB/T 25389.2—2010《低速永磁同步發(fā)電機 試驗方法》進(jìn)行了型式試驗。發(fā)電機主要試驗數(shù)據(jù)見表2～表5。永磁發(fā)電機測試數(shù)據(jù)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)條件要求。

表2 發(fā)電機空載測試

表3 發(fā)電機額定負(fù)載測試

表4 發(fā)電機溫升測試

表5 發(fā)電機軸承及噪聲測試

6 結(jié)論

通過此次160 kW低速永磁同步發(fā)電機項目的研制，我公司研究了采用集中繞組結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機的設(shè)計特點。同時也對降低永磁發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩的方案進(jìn)行了研究，并著重研究了磁極偏極的計算分析。采用集中繞組結(jié)構(gòu)的發(fā)電機，功率密度較高，用在海上大功率風(fēng)力發(fā)電機上時，可以顯著降低發(fā)電機重量，同時還可以設(shè)計為分塊結(jié)構(gòu)，便于制造浸漆和運輸。此次160 kW低速永磁同步發(fā)電機的研制成功，提升了我公司永磁同步發(fā)電機的設(shè)計和制造水平，為我公司研制大功率海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機打好了基礎(chǔ)。