水夹套冷却双馈异步风力发电机的研制

李红军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

0 引言

2011 年风力发电在高速发展之后迅速陷入萎缩调整期，风电整体行业也从波峰跌至谷底。2013 年在国家政策的支持下，风电行业逐步复苏。特别是在今年初，国家能源局提出，2014 年有序发展风电并实现新增装机1 800 万千瓦的目标，并给予双重政策支持，保持风电平稳持续发展，推动建立诚信健康的风电市场秩序，继续做好风电的市场消纳工作。得益于国家政策条件的支持，今年无论是风电发电企业还是设备制造商都将受益，迎来新一轮发展契机。

1 2MW 风力发电机主要技术参数

额定功率:2 100kW;额定定子电压:690V;定子额定功率:1 800kW;定子额定电流:1 500A;转子额定功率:350kW;转子开路电压:2 100V;额定频率:50Hz;极数:4 极;额定转速:1 800r/min;转速范围:1 000 ～2 000r/min;额定功率因数:1;效率:≥97;中心高:H500;冷却方式:水夹套冷却。

2 电磁设计

电磁设计方案是根据设计技术要求，并考虑制造运行的经济合理性和可靠性，确定发电机的电磁负荷以及与电磁性能有关的有效部分的尺寸，包含电机的定、转子冲片和铁心尺寸及绕组数据等，选定材料，并核算电磁性能和有关参数。

2.1 冲片尺寸及槽配合的选择

电机冲片三圆尺寸的选择不仅要满足机械结构和通风结构的要求，还要考虑冲片的通用化、以及冲片套裁的合理应用等，所以电机三圆的选择十分重要。由于此次设计发电机中心高小，功率密度高，为保证电机负荷在合理范围内，定子冲片外径应尽可能选择大冲片外径，发电机冲片中径应尽量选小，以提高定子利用率及减小发电机转动惯量。但冲片中径过小，会导致转子齿部磁密、轭部磁密及转子热负荷急剧上升，综合考虑电机热负荷、磁负荷，此次电机外径尺寸为φ900，中径定为φ653。另外，电机还需要选择合理的槽配合，如果选择的不合理，将会产生较大的寄生切向力和径向力，破坏电机的起动性能，而且槽配合的选择直接影响着电机的电磁噪声。对于双馈风力发电机而言，在选择电机槽配合时，不仅要考虑上述方面，更重要的是要考虑转子嵌线、弯形、焊接等方面的工艺性及可操作性。本次在槽配合的选择上定为72/96［1］。

2.2 定、转子槽型的选择

MW 级双馈风力发电机定、转子绕组类型为一般成型绕组，所以其定、转子槽型常可以选用开口槽、半开口槽、半闭口槽三种类型的槽型。在选择具体槽型及尺寸的时候，各电机制造厂商应结合自身工艺水平进行选择。本次设计，定子冲片选用开口槽、转子冲片选用半闭口槽。由于定、转子槽开口的影响，发电机的气隙磁密中存在一定的齿谐波;同时绕组中还存在高次谐波。这会影响到发电机感应电势的波形，使电压波形正弦性畸变率变大。根据GB 755—2008《旋转电机 定额和性能》中的要求该功率等级发电机的电压正弦畸变率(THD)小于5%。本次设计通过Maxwell有限元分析软件对定子电压波形进行仿真分析并对其谐波含量进行傅里叶级数分解，如图1、图2 所示［2］。

图1 定子电压波形

图2 定子电压傅里叶级数分解

通过计算值，定子相电势谐波畸变率为2.4%，在实际运行当中，对称三相系统中各相电动势的三次谐波在时间上均为同相，且大小相等，在角接绕组中，三次谐波电动势完全消耗于克服环流所产生的压降，所以发电机线端不存在三次谐波电动势，也不存在三的倍数次谐波。因此，我们将相电势中三次及三的倍数次谐波删除后再进行计算，定子线电势谐波畸变率为2.0%。

2.3 负荷的选取

在电磁设计时，考虑到双馈风力发电机整个运行范围内的温升及效率，以及转子采用变频器供电时电机的谐波影响，电机的电磁负荷、热负荷应留有足够的裕量，发电机定转子电流密度及线负荷设计均应较普通YR 型电机低;发电机定转子热负荷AJ 比YR 型电机大约低30%左右，一般为900 ～1300;因其定转子绕组的对地绝缘厚度相当，转子的热负荷较定子热负荷最好略低;同功率双馈风力发电机空冷比水冷应略低(约200 ～300)。

发电机磁负荷选取应略低于常规发电机。特别应注意超负荷(如1.1 倍、1.15 倍额定功率)、高网压、低功率因数时的定转子齿磁密(转子齿磁密Bt2可比定子齿磁密Bt1略高，因其只会使功率因数降低，不会导致铁耗增加)，根据经验，两者最好都不要超过1.53T;发电机气隙磁密Bg不宜过高，最好在0.7T 以内［3］。

3 结构设计

电机的结构设计是根据电机的使用要求、技术条件以及电磁设计所确定的相关数据，包括电机的机械结构、零部件尺寸，材料的规格、性能以及加工要求。根据技术要求，机座采用圆筒机座、水夹套方式，电机端盖、轴承装配采用一体化绝缘端盖。轴伸端与非轴伸端均安装接地碳刷。电机带自动注油装置、测温装置、加热器、编码器等。

3.1 机座

机座整体结构采用水夹套机座。机座从内到外分别为机座筒、水夹套、轴向通风道、机座外壁。机座两端焊接法兰环。机座侧面焊接进水管、出水管、排气管，并焊接定子接线盒座。采用此种机座，由于机座内部铺设循环水路作为冷却器，直接冷却定子及电机内部出来的热空气，冷气效果明显，同时明显减小电机外形尺寸，减轻电机重量。机座整体三维图见图3。

图3 机座三维图

3.1.1 机座固有频率分析

由于风力发电机安装在几十米高的机舱内，电机会经常随机舱一起晃动，加上励磁电源频率的影响，电机设计不当会引起共振。此次设计用ANSYS 有限元软件对电机机座固有频率进行仿真分析，机座一阶固有频率为84Hz，避开了一阶工频50Hz，不会发生共振现象。分析云图见图4所示。

图4 机座固有频率分析

3.2 定子铁心

电机定子铁心采用扣片结构，扣片与定子压圈、定子冲片压紧、两端压圈与扣片焊接成为一体;保证铁心冲片的叠压系数不低于0.97，冲片齿部弹开量不大于2mm。定子铁心外径需要加工，单边加工0.5mm。这样能够使定子铁心外径与机座紧密配合，降低铁心与机座的热阻，改善电机的冷却效果，并可以提高整个定子的刚度。定子铁心与机座过盈量0.06 ～0.25mm。

3.3 转子

转子结构采用为轴向通风结构，由转子铁心、支撑环、转子线圈、极间连线、中线、转子引接线、内风扇、集电环-刷架等组成，具体结构见图5。

图5 转子结构图

3.4 轴承结构

发电机采用三轴承结构。驱动端轴承为NU1032-M1-C3 和6032-M-C4，非驱动端轴承为NU1032-M1-C3，轴承全部为轻系列轴承。经计算，轴承寿命≥170 000h，满足风电行业使用要求。

3.5 滑环

本次设计滑环采用φ320 滑环，放置于轴承的外侧，即电机的尾端。为了减小碳刷的电密以及增加散热面积，每相6 只碳刷。滑环罩内安装一个离心风扇，一方面对滑环、碳刷进行冷却，另一方面将对碳粉收集后将其排除滑环罩。

4 结语

在本次2MW 水夹套冷却双馈风力设计过程中，我们应用了AutoCAD、Ansoft、ANSYS、Solid-Works 等先进的设计手段，对电机的电磁设计方案和结构设计方案进行了充分论证，并且优化了电机的设计方案，充分的改善了水夹套冷却双馈风力发电机的各项性能，在电机运行时收到了良好的效果。

［1］ 陈世坤.电机设计.北京:机械工业出版社，2004.

［2］ 郑文鹏，罗新华，施进浩等.基于Maxwell2D 兆瓦级双馈风力发电机有限元仿真方法，微电机，2008.10.

［3］ 张胜男，潘波.双馈、直驱风力发电机特点分析，防爆电机，2012.3.

［4］ 刘万琨.风能与风力发电技术.北京:化学工业出版社，2012.3.2007.

［5］ 张东宇，张胜男.永磁直驱同步风力发电机电磁设计及仿真分析，防爆电机，2014.3.