李延慧,張世福,李斐斐,汪文濤

(北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司,北京 100176)

0 引 言

近年來,風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源受到越來越多的關(guān)注[1]。目前風(fēng)力發(fā)電機主要分為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機、半直驅(qū)永磁發(fā)電機、直驅(qū)永磁發(fā)電機和籠型異步發(fā)電機等幾種類型。永磁發(fā)電機因功率密度較高、效率可達98%以上、可靠性較高等優(yōu)點,是大功率風(fēng)力發(fā)電機最具前景的解決方案之一[1]。風(fēng)力發(fā)電機采用直驅(qū)永磁技術(shù)越來越普遍,國內(nèi)外的市場占有率不斷提高。2005年4月新疆達坂城安裝了金風(fēng)科技設(shè)計的1.2 MW直驅(qū)永磁機組,并順利并網(wǎng),直驅(qū)永磁發(fā)電機開始在國內(nèi)市場推廣使用[2]。2007年11月、2010年10月湘電風(fēng)能分別研制的2 MW、5 MW直驅(qū)永磁機組成功下線。2019年9月,金風(fēng)科技成功下線了8 MW機組,并完成測試,國內(nèi)海上機組采用了成熟的直驅(qū)永磁技術(shù)。同年,東方電氣也在福建成功下線10 MW直驅(qū)永磁機組。2019年11月,GE的12 MW的直驅(qū)機組樣機在荷蘭完成安裝。2020年5月,Siemens Gamesa推出了14 MW直驅(qū)永磁機組,樣機在2021年完成了安裝[2]。

金風(fēng)科技從德國Vensys引進了直驅(qū)永磁技術(shù),在此基礎(chǔ)上依托國內(nèi)資源率先對該技術(shù)展開研究,獨立自主開發(fā)了多款不同功率的直驅(qū)永磁機組,并在陸上、海上規(guī)?；茝V應(yīng)用。直驅(qū)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、低維護成本和運行可靠的特點[3]。目前,GE、Siemens Gamesa等國際巨頭,在大功率機型開發(fā)的技術(shù)路線選擇方面,均選擇了更加可靠的直驅(qū)永磁機組。隨著機組單機容量的增大,國外機組整機廠商在直驅(qū)永磁機組上嘗試并進行了分瓣電機的開發(fā)及樣機驗證,芬蘭Mervento、Switch、Wind-direct和Enercon分別推出了技術(shù)驗證樣機,如圖1所示。

圖1 直驅(qū)永磁機組分瓣電機開發(fā)

1 分瓣技術(shù)應(yīng)用背景

在陸上直驅(qū)永磁發(fā)電機的實際應(yīng)用中,受限于運輸收費站限制(運輸寬度限制5 m,個別地區(qū)可以到5.5 m),超過5.5 m后大部分收費站無法通行,國道、省道通行困難。隨著直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機單機容量的增加,我國風(fēng)資源的豐富,特別是在Ⅲ類、Ⅳ類低風(fēng)速區(qū)的機組開發(fā)應(yīng)用中,對發(fā)電機低速特性提出了更高要求。直驅(qū)永磁發(fā)電機的成本在風(fēng)力發(fā)電機組(機頭)成本占比約為30%到40%,在風(fēng)火同價的市場競爭下,要求單位kW機組的造價越來越低。根據(jù)電機的主要尺寸關(guān)系式,增加發(fā)電機的直徑,可以減少電機軸向長度和有效降低發(fā)電機單位功率成本,提高發(fā)電機的競爭力,但同時帶來一些難題,如大型結(jié)構(gòu)件、定轉(zhuǎn)子加工資源緊張、運輸超限,特別是組裝后的發(fā)電機運輸?shù)浆F(xiàn)場更加困難。對于大功率電機運輸困難的問題,分瓣設(shè)計技術(shù)提供了一種可行、有效的解決方案。

2 分瓣電機關(guān)鍵技術(shù)分析

分瓣技術(shù)的應(yīng)用繼承了直驅(qū)發(fā)電機的優(yōu)點,突破陸地運輸限制,拓展了陸上大功率直驅(qū)永磁機型的發(fā)展空間,為陸上機組的大型化鋪平了道路。分瓣電機設(shè)計總體目標是在擴大發(fā)電機直徑的情況下,維持機組成本不增加,發(fā)電機效率不降低,機組的發(fā)電量收益不降低;同時降低定子浸漆設(shè)備需求,可自動化生產(chǎn);維修便利,降低維修成本。

2.1 不同繞組定子分瓣技術(shù)對比

中車株洲電機有限公司李華對全分瓣式繞組形式分瓣方法進行了分析[4]。西安中車永濟捷力風(fēng)能有限公司次元平等人對比分析了不同極槽配合下空槽對電機的電磁性能影響[5]。

目前,直驅(qū)永磁分瓣電機中繞組的結(jié)構(gòu)布置大概有三種形式。一種是采用單層繞組結(jié)構(gòu),線圈間跨距大于1,一般取跨距為3,采用這種布置方式的電機線圈端部較長,同時線圈端部需要采用特殊繞制工藝,成型難度大,采用這種繞組布置的廠家有Siemens Gamesa;另一種是采用雙層集中繞組結(jié)構(gòu),線圈間跨距等于1,繞組成型工藝無法做到電磁線線圈在鐵心出槽口附近光滑過渡,一定程度上影響到線圈的絕緣性能,降低電機絕緣性能,采用這種繞組布置的廠家有美國的GE,如圖2所示;還有一種是采用雙層繞組布置,線圈間跨距等于6,分瓣處采用空槽結(jié)構(gòu),在發(fā)電機的合縫部位取消線圈,這樣就解決了現(xiàn)場不具備合縫處線圈安裝、浸漆、烘焙等條件下分瓣電機的安裝。

圖2 GE機組發(fā)電機的集中繞組結(jié)構(gòu)

集中繞組分瓣方式靈活,可以提供不同瓣數(shù)選擇,并且分瓣處不需要空槽,線圈利用率高。分布繞組分瓣時,整數(shù)槽可以提供靈活的瓣數(shù)選擇,但需要空槽,每個接縫處,對于6相電機,需要去掉6個線圈。集中繞組的分瓣位置在槽底,拼接時,線圈有被接觸的風(fēng)險,而分布繞組在定子齒處分瓣,不存在線圈接觸風(fēng)險。

在電磁方案方面,集中繞組端部短,但漏磁略大,散熱能力差,諧波大;分布繞組電機散熱能力好,諧波含量低。以電機繞組溫度相同作為比較前提時,集中繞組鐵心長,線圈端部短,分布繞組鐵心短,線圈端部長,兩者的電磁方案在成本上無明顯差別。

以目前的工藝水平進行比較,集中繞組電機轉(zhuǎn)子有沖片,定子齒采用單齒單疊,增加了生產(chǎn)工時,線圈目前的繞制成品率較低。分布繞組電機在生產(chǎn)工藝方面繼承前期產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗,無新的工藝需求引入,生產(chǎn)技術(shù)成熟度高。如表1所示。

表1 不同繞組方式技術(shù)變化對比

2.2 轉(zhuǎn)子分瓣

轉(zhuǎn)子分瓣方式靈活,可以根據(jù)不同極槽配合及定子分瓣數(shù)進行瓣數(shù)選擇,一般無特殊或尺寸上的限制,盡量減少機加工切削量及零部件數(shù)量,這樣可以減少不必要的成本,一般推薦轉(zhuǎn)子采用1/2分瓣。

采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直驅(qū)永磁發(fā)電機,轉(zhuǎn)子剛度都比較弱,容易變形,磁極可采用整體磁極技術(shù),實現(xiàn)模塊化,簡化裝配和拼裝工序,預(yù)防轉(zhuǎn)子變形。整體磁極設(shè)計成可拆可裝結(jié)構(gòu),增加發(fā)電機裝配、拆分的靈活性。

為降低分瓣電機轉(zhuǎn)矩脈動對電機帶來的振動,磁極應(yīng)考慮采用“人”型斜極,降低或消除軸向推力帶來的軸向振動。

2.3 裝配及運輸

分瓣發(fā)電機鐵心、繞組制造的工藝及過程要盡量保持與現(xiàn)有直驅(qū)發(fā)電機基本一致,繼承成熟度比較高的制造工藝、制造設(shè)備。結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計中規(guī)避及簡化載荷影響敏感的工序,發(fā)電機可采用整體分瓣技術(shù),即轉(zhuǎn)子、定子都分瓣,分瓣轉(zhuǎn)子和定子集成為獨立的分瓣單元,發(fā)電機其他部件及附件也能獨立的布置在分瓣單元上,這樣設(shè)計可以大大減少運輸和現(xiàn)場拼裝工作量。

2.4 防變形系統(tǒng)

對整個發(fā)電機及分瓣單元進行分析,根據(jù)載荷及變形情況,有針對性進行預(yù)防,將變形控制在合理的范圍內(nèi)。根據(jù)發(fā)電機的結(jié)構(gòu)剛度,控制措施直接施加到最直接的部位,根據(jù)傳統(tǒng)直驅(qū)發(fā)電機的經(jīng)驗,防變形功能及安裝接口充分考慮共用設(shè)計。防變形預(yù)防措施的重點是防止氣隙之間的磁鋼吸合,變形控制在合理的范圍之內(nèi),另一方面是分瓣單元在安裝或拆分時預(yù)防吸合載荷對操作過程的緩沖和安全問題。

3 分瓣電機技術(shù)方案

3.1 電機參數(shù)

為突破陸地運輸限制,拓展了直驅(qū)永磁機型的發(fā)展空間,選定一款4.5 MW的陸上機型來進行方案設(shè)計,發(fā)電機技術(shù)參數(shù)要求如表2所示。

表2 4.5 MW機組發(fā)電機技術(shù)參數(shù)

3.2 電磁仿真計算

經(jīng)仿真計算,分瓣處的磁密波形畸變微小,徑向切向電磁力與不分瓣相當;分瓣處的切向電磁轉(zhuǎn)矩波動可以控制在與不分瓣相當?shù)乃?通過斜極優(yōu)化,轉(zhuǎn)矩波動控制在1%以內(nèi)。評估各相關(guān)參數(shù),可知分瓣電機與傳統(tǒng)不分瓣電機與機組要求相匹配。不分瓣與分瓣發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)及載荷如表3、表4所示。磁密波形畸變對比如圖3所示,斜極后的轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。

表3 不分瓣與分瓣發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)

表4 不分瓣與分瓣發(fā)電機的設(shè)計載荷數(shù)據(jù)

圖3 磁密波形畸變對比

圖4 斜極后轉(zhuǎn)矩波動

3.3 冷卻設(shè)計

冷卻方式采用徑向強迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。分瓣電機可以將冷卻風(fēng)機集成到發(fā)電機定子支架上,均分在分瓣單元上,這樣電機冷卻路徑更短,散熱效果更好,同時也能簡化工藝。如圖5、圖6所示。

圖5 電機內(nèi)部冷卻風(fēng)路

圖6 冷卻風(fēng)機布置

熱仿真計算結(jié)果如圖7、表5所示。分瓣電機的繞組最高溫度為100 ℃,磁鋼最高溫度為58.8 ℃,滿足直驅(qū)發(fā)電機F級絕緣使用要求,方案可行。

表5 分瓣電機熱仿真結(jié)果

表6 模態(tài)仿真結(jié)果

圖7 分瓣電機熱仿真結(jié)果

3.4 工藝路線

為了解決電機運輸問題,將大型直驅(qū)電機分瓣生產(chǎn),運輸?shù)巾椖楷F(xiàn)場后再進行裝配是一種可行的方案。對分瓣電機定轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)件、定轉(zhuǎn)子、發(fā)電機套裝、現(xiàn)場吊裝全制造、運輸工藝過程進行詳細工藝技術(shù)路線分析,從圖8～圖10具體實施工藝案來看,分瓣電機的制造和運輸可行,已有的國內(nèi)制造資源可滿足要求。

圖8 結(jié)構(gòu)件及工裝制造工藝及運輸方案

圖9 電機套裝測試工藝方案

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用上述介紹的分瓣方案,如圖11所示,以工藝最簡、成本最低、可靠性最高為目的進行方案構(gòu)建,并多輪迭代仿真,開展了分瓣電機單元的變形仿真分析,如圖12所示,塔下發(fā)電機模塊存儲、拼裝過程變形值可以控制到:總體1.41 mm,徑向0.26 mm,軸向0.58 mm,這樣的變形量不會影響發(fā)電機的最終裝配和發(fā)電機氣隙。模態(tài)仿真及結(jié)果如圖13和表4所示。為了避免發(fā)電機的低階振動,分瓣電機可以把結(jié)構(gòu)設(shè)計到滿足要求的頻率界線上,根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件的強度仿真計算,如圖14所示,轉(zhuǎn)子極限應(yīng)力55 MPa,定子極限應(yīng)力583 MPa,小面積屈服出現(xiàn)在橫梁處,根據(jù)Neuber彈塑性修正,塑性應(yīng)變?yōu)?.53%,分瓣電機強度滿足使用要求。

圖11 分瓣電機方案

圖12 分瓣單元變形仿真

圖13 模態(tài)仿真計算

圖14 強度仿真計算

對分瓣電機質(zhì)量和成本進行評估,采用分瓣技術(shù)的發(fā)電機質(zhì)量和成本是可以接近或超過不分瓣電機的質(zhì)量和成本。同時,整個電機的加工精度、裝配套裝難度、偏心水平、氣隙尺寸等均能達到或超過傳統(tǒng)不分瓣發(fā)電機。如表7所示。

表7 質(zhì)量及成本評估

4 結(jié) 語

為解決陸上直驅(qū)永磁機組的大型化問題,系統(tǒng)闡述了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的定子及轉(zhuǎn)子的分瓣形式,以4.5 MW直驅(qū)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機為例,從電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻設(shè)計、工藝設(shè)計等角度進行詳細研究論證,可以得出以下結(jié)論:

1)分瓣技術(shù)在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機上應(yīng)用具有可行性,相關(guān)技術(shù)研究對于陸上大容量機組具有推廣價值;

2)依靠國內(nèi)現(xiàn)有制造資源和設(shè)備,采用分瓣技術(shù)后無需較大變更或者技術(shù)改造,可以進行分瓣電機生產(chǎn)制造;

3)分瓣技術(shù)引入是有條件做到質(zhì)量、成本不增加或增加有限。