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1.65 MW半直驱永磁同步风力发电机研制李松田 东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳618000摘 要 本文介绍了半直驱永磁同步风力发电系统的发展趋势和基本特点，并重点介绍了东方电机1.65 MW半直驱永磁三相同步风力发电机主要技术参数和具体结构特点。关键词 风力发电；半直驱；双馈；永磁同步发电机1 引 言由于风力发电在可再生能源领域中技术相对比较成熟、开发成本更低，并且可以大大减少二氧化碳排放量，在全世界得到了迅猛发展。目前主要的风力发电技术包括：异步风力发电技术、电励磁同步风力发电技术、永磁同步风力发电技术等等。大中型永磁同步风力发电机磁极普遍采用高磁性能烧结钕铁硼永磁材料，其具有剩磁Br高，矫顽力HCB大，磁能积BH大，退磁曲线近似于直线等优点。若设计、使用得当，可有效避免电机瞬间大电流、高温和交变退磁场等引起永磁体磁钢失磁。电励磁同步电机磁极上必须装设励磁绕组以提供电机励磁，并且电机需要增加相应的集电环和刷架等部件。但永磁同步电机结构就更为简单，利用永磁体磁钢作为电机磁极提供励磁，无需集电环和刷架，不但提高了电机气隙磁通密度和功率密度，而且还具有结构紧凑、体积小、重量轻、运行平稳、效率高、易安装、维护方便等特点。相对于异步风力发电技术，永磁同步风力发电技术具有对电网影响小，可靠性能高，传动损失小，发电机效率高，发电品质高，日常维修少等优势。随着风机运行时间加长，齿轮箱高速传动部件机械故障问题日益突出，于是发明了不带齿轮箱而是将风机主轴与低速多极同步发电机转子直接相连的直驱式驱动方式。但是，多极低速发电机体积庞大、过于沉重，导致安装和维护都更加困难。为此，采用折中理念的半直驱式驱动方式在大型风机设计中逐渐得到应用和推广，而这种半直驱式驱动系统中发电机就普遍采用永磁同步发电机。正是基于此，东方电机和芬兰The Switch公司联合开发了1.65 MW半直驱永磁三相同步风力发电机，以适应风力发电市场日益增长的需求。2 半直驱风力发电机组动力驱动系统方案采用半直驱变速变桨风力发电机组的动力驱动系统一般方案为：低速（一级或两级）集成齿轮箱中速永磁同步发电机+全功率变频器，该方案集成了三级高速齿轮箱和直驱式驱动系统的优点，发电机额定转速一般在150500 r/min左右，发电机的体积和重量可以控制在比较合理范围之内，该系统结构设计得更加紧凑合理，具有更高可靠性和更长的使用寿命，也避免了直驱式驱动方案和高速齿轮箱驱动方案的诸多缺陷。半直驱永磁同步风力发电系统结构如图1所示。图1半直驱永磁同步风力发电系统结构图3 1.65 MW半直驱永磁同步风力发电机主要参数及结构特点3.1发电机主要参数型 号 PMR1350-1650额定功率 1650 kW额定电压 690 V额定电流 1534 A额定功率因数 0.9相 数 3额定频率 40 Hz极 数 32额定转速 150 r/min转速范围 0180 r/min冷却方法 空水冷却绝缘等级 180(H) (温升按155(F)考核)防护等级 IP54中心高 1350 mm工作制 S1效 率 97 %发电机总重量18 t3.2发电机总体结构1.65 MW半直驱永磁同步风力发电机主要由定子、转子、空水冷却器、端盖、轴承、定子主出线盒、辅助出线盒等组成。电机为卧式、全封闭脂润滑结构，在发电机两端采用端盖滚动轴承把转子支撑在两端端盖上。冷却器自带风机强迫通风，冷却器放置于电机机座顶部，以带走电机内部热量。采用水冷方式，电机结构更为简单、可靠，既能将电机做得更小、更轻，又比空冷电机更好地防沙尘和盐雾。发电机轴伸端有齿轮联轴器方便同齿轮箱联结，非轴伸端安装有制动盘，供电机紧急刹车制动用。发电机传动端安装接地碳刷，起到保护电机轴承的作用。发电机总体布置如图2所示。 图2发电机总体布置图3.3 定子定子由机座、铁心和绕组等组成。机座采用耐低温钢板焊接成圆形结构，圆形机座外侧再把合盖板把机座围成密闭十二边形，以在定子机座外侧形成两个独立密闭风路。定子铁心采用高导磁、低损耗、无时效优质硅钢片50W400冲制而成，整圆共12张扇形冲片，冲片与机座通过定位筋联结固定。定子铁心外径为1840 mm，内径1600 mm，总长763 mm，全长共有13个6 mm高的径向通风沟。定子铁心采用内装压结构，在定子铁心叠片完成后，装上定子铁心压板，再用一个带锥度锁紧环和数个锥形锁紧螺栓共同作用压紧铁心压板，达到将定子铁心压紧的作用。在机座上开有锁紧螺栓螺孔，在拧紧带锥度螺栓过程中锁紧环就会逐渐将压力传向定子铁心，这样就可以方便的通过调整锁紧螺栓拧紧长度来调节定子铁心的压紧程度。定子铁心压紧结构如图3所示。图3定子铁心压紧结构定子绕组为成型双层圈式线圈，线圈绝缘结构充分考虑到变频器高次谐波等影响，加强了线圈匝间及对地绝缘。定子线圈的并头及引线连接均采用银铜焊工艺，焊接性能良好。定子槽楔采用磁性槽楔，在槽楔下设置膨胀垫条以减小振动影响，可以保证线圈长期运行而不松动，并能补偿绝缘的老化收缩，加强线圈及槽楔固定。定子铁心和线圈采用VPI真空压力整体浸漆，这样既保证了电机的整体绝缘性能，同时又加强了电机的整体结构强度和传热效果。定子装配如图4所示。图4定子装配3.4 转子转子采用无风扇结构，转子支架为焊接结构，主轴材料为耐低温锻钢16MnD，主轴与转子圆筒通过转子轴向和径向筋板焊接成一体，在径向筋板上开有轴向通风孔。在转子支架外圆加工16组每组56个，共896个M6螺孔，该螺孔用于把合不锈钢磁钢固定支架，每组螺孔在轴向均按一定角度偏斜，保证磁钢装配时达到斜极的作用。首先，将磁钢装于磁钢固定支架之中，再用磁钢安装专用工具通过不锈钢螺栓将其把合在转子外圆上，在转子外圆形成N、S交错磁极。转子装配如图5所示。图5转子装配永磁体磁钢和磁钢固定不锈钢支架如图6、图7所示。图6永磁体磁钢图7磁钢固定不锈钢支架磁钢材料为钕铁硼（NdFeB）38SH，对磁钢磁性能有严格要求：剩磁Br1.23 T(20 )，剩磁Br1.12 T(100 )内禀矫顽力HCJ1592 kA/m(20 )，内禀矫顽力HCJ 800 kA/m(100 )矫顽力HCB 916 kA/m(20 )最大磁能积(BH)max 287 kJ/m3(20 )磁钢最高连续工作温度为150 ，在120 时，B-H退磁曲线基本呈直线，或拐点不高于0.1 T。磁体表面采用镀锌环氧复合镀层，镀层光洁，无肉眼可见缺陷或污损，镀层耐腐蚀性能达中性盐雾120h以上。另外对磁钢化学成分、物理性能、失重特性失重量、冷热冲击不可逆磁通损失率特性、热减磁不可逆磁通损失率特性、磁性能及表磁分布形态一致性等等都有特殊要求。对于大中型永磁电机，由于永磁体磁钢吸力很大，在转子磁钢安装时，需采用专门的磁钢安装工具，以保证人身和设备安全。转子磁钢安装工具包括底座4，底座可以旋转一定角度以方便安装磁钢，底座上装设移动方向与底座移动方向垂直的安装磁钢固定架7，底座固定在压块3上，压块装在丝杠5上（压块开有丝孔与丝杆配合），与丝杠平行方向设有一固定杆6，在丝杠、固定杆两端装配两个紧固端板2（紧固端板与转子本体轴向长度相适应），两个紧固端板外侧分别装有手轮1，转动手轮，压块就能带动底座一起沿丝杠运动。随着底座沿转子轴向移动，可以停留在不同的转子轴向位置，而底座又可以沿转子径向移动，随着转子的转动，可以方便地把磁钢安装在转子表面需要的位置。采用转子磁钢专用安装工具，使得转子磁钢安装尤为方便、安全、快捷，尤其是对于磁钢个数多且采用斜极的大中型永磁电机更为实用。转子磁钢安装工具如图8所示。图8转子磁钢安装工具1.手轮 2.紧固端板 3.压块 4.底座 5.丝杠 6.固定杆 7.固定架3.5 端盖轴伸端和非轴伸端端盖均采用钢板焊接结构，材料为耐低温钢板，在端盖的径向和周向均布置有加强筋板。焊接端盖的强度高，变形小，能承受转子重量及外部冲击载荷。端盖如图9所示。图9端盖3.6轴承轴伸端和非轴伸端轴承均采用球面滚子调心轴承，轴承固定在轴承端盖轴承室内，端盖通过止口定位把合固定在定子机座两端，轴承采用脂润滑，润滑脂选用Arcanol multitop润滑脂。发电机轴承外圈通过绝缘钢圈与电机端盖连接，该绝缘钢圈由内钢圈和内钢圈外面的绝缘层组成；轴承两侧装设绝缘环，轴承把合螺栓外套有绝缘套筒，把合螺栓钢垫圈下放置绝缘垫圈。这样就把轴承和端盖等部件绝缘隔离开来，在电机运行时，就可以有效阻断轴电流在轴承等部件中流通，防止轴电流损坏轴承，起到保护轴承，保证电机长期可靠运行的作用。该绝缘轴承如图10所示。图10绝缘轴承结构图1.滚动轴承 2.绝缘环 3.内钢圈 4.绝缘层 5.绝缘环 6.绝缘垫圈 7.绝缘套筒3.7通风系统发电机空水冷却器放置于电机机座顶部，中间隔板把机座外壳和盖板之间的风道轴向隔离成互不透风的两个风区，机座外壳与定子铁心之间装设多个周向均布的轴向筋板，机座外壳上开有径向通风孔，两个不同风区径向通风孔交错布置。发电机空水冷却器离心风机在电机非轴伸端旋转鼓风产生风压，把经冷却器冷却后的冷空气鼓入电机内部，冷风流经定子铁心、绕组、转子磁钢，带走其产生的热量再进入电机轴伸端，热空气由轴伸端进入空水冷却器，热风经冷却器冷却后被离心风机再次鼓入电机非轴伸端内部，如此周而复始不断循环，达到带走电机热量，冷却电机的作用。空水冷却器带强迫通风离心风机，两个冷却器换热容量均为30 kW，两个风机电动机功率均为5.5 kW，400 V，50 Hz。冷却器如图11所示。图11冷却器4 结 语通过对该发电机较为完整的型式试验，证明东方电机和芬兰The Switch公司联合开发的1.65 MW半直驱永磁同步风力发电机是非常成功的，各项性能指标均达到设计值，发电机出力、温升、空载电压等性能指标均满足规定要求，达到国际同类产品先进水平，同时该电机运行平稳，效率高，振动小，噪声低。永磁同步发电机不从电网吸收无功励磁，无需励磁绕组和直流电源，也不需要集电环和刷架，结构简单、技术可靠，对电网稳定运行影响小。与双馈型风机相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越（Low Voltage Fault Ride Through），还可以显著改善电能质量，减轻发电机对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性。随着风力发电各项技术的发展和风力发电机组性能的逐步提高，风力发电会越来越高效，越来越经济，风电项目开发成本和运行费用正在逐步降低，风力发电，其发展正日新月异。在风电传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风机的发展趋势，随着半直驱风力发电系统更加完善和成熟，半直驱风力发电系统必将得到更加广泛的应用，半直驱永磁同步风力发电机势必存在巨大的市场需求。参考文献1周寿增，董清飞，“超强永磁体”，冶金工业出版社2唐任远, “现代永磁电机理论与设计”, 北京,机械工业出版社, 1997作者简介：李松田：(1969)，男，高级工程师，1992年毕业于华中理工大学电机专业。东方电机有限公司副总设计师、东方电机有限公司中型电机分公司副总经理，长期从事交流电机设计工作。8