兆瓦永磁直驅風力發(fā)電機研制介紹楊振河

1、2兆瓦永磁直驅風力發(fā)電機研制介紹北京湘電科技有限公司摘要：由湘潭電機股份有限公司出資組建的風力發(fā)電合資公司，從荷蘭引進了風力發(fā)電系統(tǒng)的成套技術，其中發(fā)電機為ABB生產(chǎn)的永磁直驅發(fā)電機。由于ABB公司無法保證按時供貨而且電機價格昂貴，風力發(fā)電合資公司委托湘潭電機股份有限公司開發(fā)替代現(xiàn)有ABB電機的永磁直驅發(fā)電機。在設計上，集合了國內優(yōu)良資源，組成產(chǎn)學研一體的設計團隊，采用先進的有限源分析方法，著重解決了磁鋼化學退磁、減小定位阻力矩、減小諧波在轉子中損耗以及參數(shù)優(yōu)化等技術問題。在工藝上，對定子熱套浸漆、定轉子裝配進行了工藝研究。經(jīng)過樣機試驗，效果較好。一風電發(fā)展現(xiàn)狀1. 國外風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀2

2、. 國內風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀3. 預測4. 風力電機發(fā)展趨勢二湘電2兆瓦風力發(fā)電機介紹1. 電機技術要求2. 電機主要結構電機結構主要由前端蓋、定子、轉子、后端蓋、主軸承、和錐形支撐等6大零部件組成。2.1 電機結構二維示意圖 1前端蓋；2定子；3轉子；4后端蓋；5主軸承；6錐形支撐2.2 電機結構三維示意圖l 電機整體示意定子后端蓋主軸承錐形支撐前端蓋轉子l 電機分解示意3. 電機主要參數(shù)電機型號GPM-1-2000電機型式永磁同步防護等級IP55冷卻方式風冷絕緣等級F符合標準GB755-2000環(huán)境溫度（外部空氣）40相對空氣濕度100安裝最大海拔高度1000m工作制S1額定功率2110k

3、W額定功率因數(shù)0.97額定電壓660V極數(shù)60相數(shù)2×3頻率11.25Hz額定電流2×924.775A額定轉速22.5rpm效率95額定轉矩933228N.m接法YY轉子重量11118.25kg電機重量47291kg轉動慣量28059kg.m24. 電磁性能分析4.1 靜態(tài)磁場分析電機二維1/6分析模型磁 力 線 分 布氣 隙 磁 密 分 布磁 密 分 布4.2 短路性能分析4.3 永磁體去磁分析分析永磁體在額定負載和6相短路時去磁情況，此工況下繞組磁場分布用于退磁。4.4 發(fā)電性能分析空載4.5 發(fā)電性能分析獨立負載4.6 發(fā)電性能分析接電網(wǎng)（負載2MW）結論：通過對2M

4、W60極永磁同步發(fā)電機的磁路分析，發(fā)電性能分析，論證了該永磁發(fā)電機的性能如下：1） 當發(fā)電機單獨負載2MW供電時，電機效率大于95% 。2） 當發(fā)電機與電網(wǎng)連接時，可在滿載范圍內保證高的發(fā)電性能指標（電機效率大于95.5% ）。3） 6相突然短路時，永磁體不會退磁。5. 主要解決的技術問題5.1 多方案比較結論：在試制造設計階段，設計團隊對以上提出的方案，分別從電磁性能、定子結構和定子繞組、轉子結構、電磁場分析以及仿真分析驗證等四個方面進行了論證，最終采用了方案八。該方案在體積上和ABB相當，并且考慮到?jīng)]有此類電機的設計生產(chǎn)經(jīng)驗，而且該方案電機的磁密、電密、熱負荷都留有較大裕度。5.2 防磁鋼

5、退磁 5.2.1 永磁電機退磁主要有以下幾種:1）大電流沖擊退磁：由于現(xiàn)在的控制器采用了矢量控制技術，電機在起動過程中以額定電流恒定力矩起動，沒有電流沖擊。由于電機最大電流發(fā)生在故障狀態(tài)下三相短路時的短路電流，因此，在設計時只要保證校算短路狀態(tài)下磁鋼工作點在磁鋼工作曲線拐點以上，就能保證電機在使用過程中不會因大電流沖擊而退磁?，F(xiàn)在磁鋼在額定使用溫度下，拐點基本在0.2以下，只要設計合理完全能滿足電機要求。2）高溫退磁：主要控制電機熱負荷保證電機溫升小于磁鋼使用溫度。采取措施減小高次諧波在磁鋼表面中的渦流損耗，保證磁鋼溫度。3）化學退磁：以上二種退磁都是在特定條件下發(fā)生的，只要設計得當，保證材料

6、性能，就能防止退磁發(fā)生，均與磁鋼壽命無關。只有化學退磁是逐步發(fā)生的，直接影響磁鋼的使用壽命。 磁鋼的化學失效主要源于磁鋼中的稀有金屬和氫元素的化學反應，從而使磁鋼失效。在空氣中存在的氫氣以及在潮濕狀態(tài)下存在的氫離子與磁鋼接觸，是造成磁鋼失效的主要原因。5.2.2 磁鋼的化學失效及其解決方法：要想解決磁鋼長期化學失效的問題，首要的是要做好磁鋼的防護。磁鋼在出廠前已經(jīng)根據(jù)設計的防護要求，做好了防護層。在保證磁鋼防護層完好的情況下，是可以保證磁鋼的使用壽命?？墒侨绾伪ＷC磁鋼在裝配過程中保護層不受損傷，是工程上要解決的主要問題。目前，在大型永磁電機中，還無法實現(xiàn)轉子整體充磁。普遍采用先充磁后裝配的工藝

7、方法。使用這種方法時，盡管采用工裝或專用設備，但由于磁鋼強大的電磁吸力，無法絕對保證磁鋼保護層不被劃傷。針對以上情況我們主要采用如下方法，解決磁鋼保護層在裝配中的劃傷問題。結合電機設計中減少高次諧波在磁鋼中的渦流損耗，采用沖疊一體的工藝方法，用矽鋼片制造磁鋼盒，使磁鋼在不充磁狀態(tài)下與磁鋼盒進行裝配，用環(huán)氧漆整體灌封后進行充磁。這樣既保證了磁鋼保護層不被劃傷，又進行了二次保護，進一步加強了磁鋼的固定。使得在下一步的磁極裝配中，磁鋼的保護層不與任何接觸面產(chǎn)生滑動摩擦，避免磁鋼保護層的劃傷。具體工藝過程見圖1和圖2：21圖11. 沖疊一體的磁鋼盒 2. 未充磁的磁鋼圖2 磁鋼嵌入磁鋼盒將圖1中所示的

8、未充磁的磁鋼，按照設計要求，安裝到已經(jīng)沖疊為一體的磁鋼盒內，組成磁極。安裝完畢后，用環(huán)氧漆將磁極整體灌封。最后進行充磁。5.2.3 結論通過以上工藝處理的磁極，經(jīng)過試驗證明，磁鋼的保護層完好?？梢苑乐闺姍C產(chǎn)生化學退磁。同時這種裝配結構還可以方便的進行永磁電機轉子磁極的更換。經(jīng)過在湘電2MW永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中使用，效果良好。5.3 定位阻力矩永磁電機由于轉子上有磁鋼，因此本身有一定的阻力矩。作為直驅風力發(fā)電機，此參數(shù)直接影響系統(tǒng)的起動風速。我們通過改變槽數(shù)和等效極弧系數(shù)，通過有限源磁場分析、計算滿足整機要求。l 電機三維電磁場分析模型l 齒槽轉矩曲線5.4 減小轉子諧波損耗結合磁鋼的防護，將

9、硅鋼片沖疊一體的工藝方法制造成磁鋼盒，然后將磁鋼安裝到磁鋼盒中，使磁鋼磁路在磁鋼盒中形成回路，此方法有效減少諧波損耗。經(jīng)試驗，轉子溫度較低；通過對轉子諧波損耗的分析，該結構有效的減小了轉子的諧波損耗。磁鋼盒如下圖。5.5 主要工藝研究5.5.1 定子熱套工藝1）由于電機的散熱方式為自然風表面冷卻，因此機殼和定子鐵心外圓接觸的面積越大，電機散熱的效果越佳。由此，工藝要保證電機機殼和定子鐵心的外圓的加工精度。2）選用合理過盈量，可以保證電機的最大扭矩。3）根據(jù)電機選用的過盈量，對機殼和定子鐵心的變形量進行校算，得出電機機殼和定子鐵心的變形量小于0.3mm。l 有限元模型l 等效應力l 接觸面壓力熱

10、套溫度210。結論：經(jīng)過有限元分析，機殼和定子鐵心的過盈量滿足輸出力矩的要求；機殼和定子鐵心的變形量小于0.3mm，不會影響電機性能。5.5.2 定子真空壓力浸電機定子鐵心的體積大，在浸漬過程中，存在定子鐵心槽內掛漆量不足的問題，這將影響電機定子的絕緣。為了保證掛漆量，采用旋轉烘胚。5.5.3 設計轉子裝配專用工裝由于轉子本身的帶磁問題，在轉子安裝到定子上時，裝配過程會引起轉子與定子的磕碰問題?？呐鰰p壞轉子鐵心，甚至會破壞磁鋼表面防護層，最終將會影響電機的性能和使用壽命。為了解決這種安裝上的磕碰問題，設計專用工具。6. 結論本電機方案，無論在設計還是在制造上，均充分考慮了試制時間緊迫的情況。為最大限度滿足市場需求，增大研制的成功率，本方案采用工廠較為成熟的傳統(tǒng)結構和工藝。通過樣機的試制，型式試驗分析，本電機在性能上均滿足了整機對電機的技術要求。試 驗 項 目設 計 值保 證 值試 驗 值定子繞組相電阻15()0.006040.0055額定電流(A)2×981.51854.6額定電壓(V)660660功率角(degree)38.3-44.5額定功率(kW)211021102110效率(%)959596功率因數(shù)(超前)0.980.970.972額定轉速(r/min