大功率同步風力發(fā)電機的結構設計

李 娟

（山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030027）

0 概述

風電是開發(fā)綠色能源的一種形式，近年來我國風電行業(yè)發(fā)展迅速，目前2MW及其以下的陸用風力發(fā)電機機組技術已經(jīng)逐漸成熟，生產(chǎn)已經(jīng)逐漸具備規(guī)模，各風電總裝廠已經(jīng)陸續(xù)向海上風電發(fā)展，但由于該技術仍處于研發(fā)階段，為保證海上風電的順利發(fā)展，同時也為了適應國家的風電發(fā)展政策，一些廠家以近海為基地，發(fā)展間于海上和陸地之間的海邊風電，逐步向海上過渡，而3MW風電機組因當前國內(nèi)整體配套能力的提高，已經(jīng)成為風電發(fā)展的新趨勢。

1 主要技術參數(shù)

額定功率 3.3MW

額定功率因數(shù) 1.0

速度范圍 500 rpm～1250 rpm

頻率范圍 33.3 Hz～83 Hz

額定轉(zhuǎn)速 1000 rpm

額定頻率 66.7 Hz

額定電壓 733V

額定電流 2×1300A

絕緣等級 F/H

冷卻方式 空水冷卻

2 設計說明

2.1 原理概述

該三相無刷同步發(fā)電機由主發(fā)電機、勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器等主要部分組成，主發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器都裝在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，主發(fā)電機為轉(zhuǎn)極式，交流勵磁機為轉(zhuǎn)樞式。勵磁機磁極固定在定子端蓋內(nèi)側(cè)。勵磁機的勵磁由勵磁系統(tǒng)提供。當發(fā)電機被拖動旋轉(zhuǎn)時，勵磁系統(tǒng)給勵磁機定子輸入電流，勵磁機轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后輸入主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，主發(fā)電機的輸出電壓，經(jīng)勵磁系統(tǒng)取樣分析比較后，自動調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁電流直到主發(fā)電機的電壓達到設定值。勵磁系統(tǒng)由用戶配置。

本發(fā)電機原理結構如圖1所示。

圖1 發(fā)電機原理結構框圖

2.2 產(chǎn)品結構介紹

本發(fā)電機結構主要由主機、勵磁機、機座、端蓋組、冷卻器、旋轉(zhuǎn)整流器等組成。主機轉(zhuǎn)子、勵磁機轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器同軸安裝，主機定子鐵芯熱套于機座中，勵磁機位于非驅(qū)動端，旋轉(zhuǎn)整流模塊位于勵磁機轉(zhuǎn)子和主機轉(zhuǎn)子中間，并在機座上與其相對應的位置留有檢修孔，方便旋轉(zhuǎn)整流模塊的檢修安裝。編碼器裝在軸BS端部。

3 結構設計

3.1 機座結構設計

機座設計重點考慮了機座的剛度、強度、通風結構、出線布置及與水冷卻器的安裝方式等方面的影響因素。電機機座采用Q235鋼板和鋼管焊接的長方體結構，機座兩端有25mm端板，中間在AS側(cè)和BS側(cè)分別設有隔板組，隔板組支撐定子鐵心?？v向有鋼管支撐在兩隔板之間；箱體兩側(cè)由8mm的左右壁板圍起。

在對機座的強度和剛度進行了簡化計算的基礎上，綜合考慮了對風路的影響，保證通風結構的可行性。另外在中間隔板上設計了定位臺階以實現(xiàn)定子鐵心軸向的可靠定位，兼顧了定子鐵心和機座配合連接的可靠性問題，經(jīng)計算，即使在電機短路的情況下仍能滿足連接緊固的要求。（機座結構見圖2）

圖2 機座結構

3.2 定子鐵芯

定子鐵芯是用0.5mm厚的50W470冷軋硅鋼片疊壓而成。鐵心共分為14段，每段長51，每段之間有1道寬10mm的軸向通風道，通風道間焊有足夠數(shù)量的通風片。

定子鐵芯兩端分別固定有定子端板和定子壓板，在兩個定子壓板間與鐵芯的外表面焊接12根筋，每個筋截面為63×20，兩筋最小間距195。定子鐵芯焊接完成后加工兩壓板外圓止口，與機座配合。（定子鐵芯結構見圖3）

圖3 定子鐵芯結構

3.3 軸承組

該發(fā)電機的軸承布置采用驅(qū)動端固定，非驅(qū)動端浮動的結構型式。驅(qū)動端軸承由圓柱滾子軸承NU1040和深溝球軸承6040構成。非驅(qū)動端軸承為圓柱滾子軸承NU1040。徑向載荷主要由驅(qū)動端和非驅(qū)動端的圓柱滾子軸承承擔，而深溝球軸承在徑向方向處于浮動，只承擔軸向載荷，這樣可充分發(fā)揮圓柱滾子軸承徑向承載能力大的優(yōu)點，同時通過球軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向可靠定位。

在AS軸承組中，內(nèi)、外軸承蓋均采用彈簧結構將軸承軸向預緊，它是利用彈簧使軸承承受一定的軸向載荷并產(chǎn)生預變形。（軸承組結構見圖4）

圖4 軸承組結構

3.4 轉(zhuǎn)子設計

主發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流器同軸連接，主發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱套于軸鐵芯檔處、勵磁機轉(zhuǎn)子與軸采用鍵連接，勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯用鉚釘軸向鉚緊，兩端均布置了壓環(huán)，旋轉(zhuǎn)整流器均勻布置于主機轉(zhuǎn)子和勵磁機轉(zhuǎn)子間的軸上。

主機轉(zhuǎn)子的AS、BS兩端均裝有異型護環(huán)，異型護環(huán)上都裝有平衡環(huán)，可以根據(jù)實際動平衡需要在平衡環(huán)圓周布置平衡塊。

3.5 定子引線設計

該電機為8極6相，軛部較小，從AS端引線，定子端部焊連接片，定子入殼后，通過電纜引至主出線盒導電銅排上，為提高電纜的穩(wěn)定性，在機座上焊有一支架，支架上固定有絕緣板，電纜從定子端部引出先經(jīng)過該絕緣板，再用螺栓固定在導電銅排上，導電銅排固定在厚16的絕緣板上，導電銅排為分層階梯式設計。（定子引線結構見圖5）

圖5 定子引線結構

3.6 通風結構設計

此發(fā)電機的通風結構采用的是兩對稱的風路并聯(lián)結構，每一風路所需的風量為總風量的一半。在每一風路結構中包含一離心風機。離心風機與電機轉(zhuǎn)子徑向風道片聯(lián)合運行，主要通過強迫式離心風機提供所需風壓，從而實現(xiàn)電機本體內(nèi)空氣的循環(huán)流動，并最終實現(xiàn)將電機內(nèi)部的損耗通過水冷卻器帶出，以滿足發(fā)電機運行的要求。本電機風路結構主要借鑒了2MW高原電機和試驗站用2.8MW電動機的通風結構，并根據(jù)本電機的實際結構布置，確定主機轉(zhuǎn)子通風設計采用12個軸向通風孔加14個徑向通風道，主機定子鐵芯上亦設計14個徑向通風口，轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部通過一沒有通風孔的沖片將風路一分為二?？紤]到繞組端部的冷卻問題，設計時將外風路冷卻風機向內(nèi)側(cè)偏移，使得一部分風吹到繞組端部。（通風結構見圖6）

圖6 通風結構示意圖

4 結束語

通過上述分析可以看出，電機設計中充分貫徹了通用性、可靠性、經(jīng)濟性原則，對關鍵技術進行了大量的分析計算，總體設計布局科學、結構合理，各種分析計算確實可行，可以保證發(fā)電機各項性能指標，今后我們將跟蹤產(chǎn)品的使用狀況，聽取用戶的意見，及時改進，使該產(chǎn)品的技術性能得到進一步的提高。