張曉敏
(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司,上海 200240)
永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁,無(wú)需勵(lì)磁電流,且永磁體結(jié)構(gòu)、形狀多樣,尺寸選擇靈活,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強(qiáng),所以永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕,力矩慣量比大,具有高效率、高性能、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。故而永磁電機(jī)具有常規(guī)電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用范圍也極為廣泛。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源供求緊張狀況凸現(xiàn),傳統(tǒng)能源造成的污染給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)很多問(wèn)題,以風(fēng)力發(fā)電為代表的清潔能源越來(lái)越受到人們的重視。目前,永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而言,不存在低電壓穿越問(wèn)題,且省去了齒輪箱和滑環(huán),需要維護(hù)部件少,可靠性高,而且結(jié)構(gòu)緊湊,在可運(yùn)行范圍內(nèi)都具有較高的效率。
我公司研制了一臺(tái)160 kW低速永磁同步發(fā)電機(jī),通過(guò)對(duì)該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試,對(duì)低速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行研究。為后續(xù)大功率海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。
額定功率:160 kW
額定電壓:670 V
額定轉(zhuǎn)速:120 r/min
最大轉(zhuǎn)速:200 r/min
頻率:30 Hz
額定電流:162 A
功率因素:>0.8
效率:≥95%
相數(shù):3
繞組接法:Y接
絕緣等級(jí):H
工作制:S1
結(jié)構(gòu)類(lèi)型:外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子
旋轉(zhuǎn)方向:順時(shí)針
額定輸入轉(zhuǎn)矩:13.4 kN·m
齒槽轉(zhuǎn)矩:≤0.5%的額定轉(zhuǎn)矩
外圓直徑:Φ1 900 mm
最大長(zhǎng)度:955 mm
質(zhì)量:約3 500 kg
冷卻方式:IC418
防護(hù)等級(jí):IP54
噪聲:≤87 dB(A)(聲壓級(jí))
防腐等級(jí):外部C4,內(nèi)部C3
額定使用環(huán)境溫度:-20~40 ℃
降功率使用環(huán)境溫度:40~45 ℃
儲(chǔ)存及運(yùn)輸環(huán)境溫度:-40~70 ℃
最大海拔高度:1 000 m
最大相對(duì)濕度:95%
本文低速永磁發(fā)電機(jī)采用徑向磁場(chǎng),內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子,定子繞組采用集中繞組,轉(zhuǎn)子磁極采用表貼突出式安裝形式。表1為電磁設(shè)計(jì)參數(shù)。
表1 電磁設(shè)計(jì)參數(shù)
低速永磁發(fā)電機(jī)定子齒為平行齒,線圈為分?jǐn)?shù)槽集中繞組。定子線圈采用5根2.8 mm×4.75 mm漆包銅扁線并繞19匝制成。定子線圈實(shí)物以及線圈布置結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。
圖1 定子線圈實(shí)物圖
圖2 線圈布置結(jié)構(gòu)圖
發(fā)電機(jī)每極每相槽數(shù)q=1/2,即分?jǐn)?shù)槽,節(jié)距y=1,采用該設(shè)計(jì)的集中繞組的特點(diǎn):
(1) 容易實(shí)現(xiàn)多極少槽的設(shè)計(jì):發(fā)電機(jī)定子極數(shù)多時(shí),定子軛部尺寸薄,硅鋼片用量省,體積小重量輕;定子槽數(shù)少,定子槽內(nèi)絕緣占比小,元件數(shù)量少,嵌線簡(jiǎn)單;每極電樞反應(yīng)去磁磁勢(shì)低,提高了低速運(yùn)行平穩(wěn)性。
(2) y=1的集中繞組:線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,端部連接工藝也簡(jiǎn)單;線圈端部短,線圈長(zhǎng)度短,銅耗小,體積小,線圈端部散熱好,可以提高發(fā)電機(jī)的功率密度;在發(fā)電機(jī)體積較大時(shí),可以設(shè)計(jì)為分塊結(jié)構(gòu),便于制造浸漆和運(yùn)輸。
(3) 分?jǐn)?shù)槽:可以降低齒槽反應(yīng)轉(zhuǎn)矩,減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng);分?jǐn)?shù)次磁場(chǎng)諧波,磁體渦流損耗增加。
(4) 極槽相近的配合:諧波漏抗大幅增加,氣隙磁密存在畸變,有低階次空間徑向力波。
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼,型號(hào)42SH,20 ℃時(shí)磁力特性如下:
(1) 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度:1.28~1.32 T;
(2) 矯頑力(Hcb)≥987 kA/m(≥12.4 kOe);
(3) 內(nèi)稟矯頑力(Hcj)≥1 600 kA/m(≥20 kOe);
(4) 最大磁能積(BHm):40~43 MGOe;
(5) 溫度系數(shù): αBr=-0.12%/C; αjHc=-0.55%/C;
(6) 退磁曲線:100 ℃下的退磁曲線成為一條直線,無(wú)拐點(diǎn);
永磁體防腐采用噴涂環(huán)氧樹(shù)脂工藝,厚度10~30 μm。
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向布置兩塊大永磁體,每塊永磁體由5片小永磁體用丙烯酸酯膠水黏結(jié)形成。永磁體上端兩尖角進(jìn)行45°倒角處理,使永磁體和齒槽旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)時(shí)變化緩和,這樣能使磁轉(zhuǎn)矩幅度變化連續(xù)而平穩(wěn),有利于減少波形畸變和噪聲。
本文低速永磁發(fā)電機(jī)采用表面突出式永磁體安裝方式,漏磁系數(shù)小,永磁體用量少,經(jīng)濟(jì)性好。
永磁發(fā)電機(jī)需要盡可能的降低齒槽轉(zhuǎn)矩。降低齒槽轉(zhuǎn)矩的一般方法為斜極或斜槽。斜極和斜槽其實(shí)是等效的,轉(zhuǎn)子斜極可以看成定子斜槽的相對(duì)等效。根據(jù)電機(jī)原理,轉(zhuǎn)子斜極機(jī)械角度計(jì)算=360°/(定子槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)),此時(shí)從理論上可以完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩。
而本文發(fā)電機(jī)定子采用集中繞組,定子槽數(shù)少、鐵心較短,在工藝制造上實(shí)現(xiàn)斜極或斜槽都較為困難。發(fā)電機(jī)永磁體布置采用偏極的形式來(lái)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩,永磁體布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 永磁體尺寸
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共30極,每5個(gè)極為一組,一組內(nèi)每極間偏移0.8機(jī)械角度,即由原來(lái)的每極之間12°減小到11.2°。每組磁極之間對(duì)稱。通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算,偏極處理前后,齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比如圖4所示。
根據(jù)第2節(jié)設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)相關(guān)電磁數(shù)據(jù)和參數(shù),在ANSYS有限元軟件中建立幾何模型。建立的模型如圖5所示。
圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比圖
圖5 電磁模型
模型建立好后,對(duì)模型的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行賦予材料參數(shù)并添加邊界條件。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí),在磁場(chǎng)變化劇烈的位置對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密剖分,可以提高計(jì)算精度。最后對(duì)程序進(jìn)行求解計(jì)算。
對(duì)發(fā)電機(jī)空載磁密和空載反電勢(shì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析,結(jié)果如圖6和圖7。
圖6 發(fā)電機(jī)空載磁密圖
圖7 75 ℃時(shí)空載電勢(shì)
對(duì)發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算和分析,計(jì)算值為56.8 N·m,滿足技術(shù)條件小于0.5%的額定轉(zhuǎn)矩的要求。
發(fā)電機(jī)的主要組成部件有定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等。發(fā)電機(jī)外形為扁平圓柱形狀,采用成熟的外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。
發(fā)電機(jī)機(jī)座為薄壁鑄件,外表面帶有散熱筋,機(jī)座上有法蘭孔與機(jī)艙連接。機(jī)座與定子鐵心之間采用熱套過(guò)盈配合。定子鐵心整圓由5片定子扇形片交錯(cuò)疊壓組成,每層沖片之間拼縫錯(cuò)開(kāi)。定子沖片固定采用螺桿緊固,為了避免螺桿中產(chǎn)生渦流損耗,定子鐵心緊固螺桿需包扎聚芳纖維紙,并額外加墊了2層絕緣墊圈。
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸為鍛鋼空心軸,軸頭采用法蘭與輪轂連接,軸尾通過(guò)螺紋與剎車(chē)連接裝置。發(fā)電機(jī)軸伸端軸承采用單列圓錐滾子推力軸承,非軸伸端采用圓柱滾子軸承。為避免有磁性的轉(zhuǎn)子影響裝配,永磁體安裝在定轉(zhuǎn)子穿轉(zhuǎn)及端蓋安裝之后。永磁體通過(guò)端蓋處的缺口,采用專門(mén)的永磁體安裝工裝進(jìn)行安裝,如圖9所示。
圖9 永磁體安裝示意圖
低速永磁發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)采用先進(jìn)的H級(jí)少膠絕緣技術(shù)體系。少膠絕緣體系在同樣的耐壓情況下,尺寸比中膠絕緣體系要薄,可以提高槽空間的銅線利用率。本文低速永磁發(fā)電機(jī)同時(shí)采用了VPI真空壓力整浸技術(shù)。發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)VPI工藝處理后,絕緣性能大幅提升,機(jī)械強(qiáng)度變強(qiáng),可以防止短路故障,提高防潮能力,延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。
發(fā)電機(jī)制造完成后,對(duì)發(fā)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)測(cè)齒槽轉(zhuǎn)矩為61.2 N·m,小于70 N·m。
發(fā)電機(jī)參照GB 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》和GB/T 25389.2—2010《低速永磁同步發(fā)電機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行了型式試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2~表5。永磁發(fā)電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)條件要求。
表2 發(fā)電機(jī)空載測(cè)試
表3 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載測(cè)試
表4 發(fā)電機(jī)溫升測(cè)試
表5 發(fā)電機(jī)軸承及噪聲測(cè)試
通過(guò)此次160 kW低速永磁同步發(fā)電機(jī)項(xiàng)目的研制,我公司研究了采用集中繞組結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。同時(shí)也對(duì)降低永磁發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方案進(jìn)行了研究,并著重研究了磁極偏極的計(jì)算分析。采用集中繞組結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī),功率密度較高,用在海上大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)上時(shí),可以顯著降低發(fā)電機(jī)重量,同時(shí)還可以設(shè)計(jì)為分塊結(jié)構(gòu),便于制造浸漆和運(yùn)輸。此次160 kW低速永磁同步發(fā)電機(jī)的研制成功,提升了我公司永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平,為我公司研制大功率海上永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)打好了基礎(chǔ)。