2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍-杨振河

2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍

北京湘电科技有限公司

摘要：由湘潭电机股份有限公司出资组建的风力发电合资公司，从荷兰引进了风力发电系统的成套技术，其中发电机为ABB生产的永磁直驱发电机。由于ABB 公司无法保证按时供货而且电机价格昂贵，风力发电合资公司委托湘潭电机股份有限公司开发替代现有ABB电机的永磁直驱发电机。在设计上，集合了国内优良资源，组成产学研一体的设计团队，采用先进的有限源分析方法，着重解决了磁钢化学退磁、减小定位阻力矩、减小谐波在转子中损耗以及参数优化等技术问题。在工艺上，对定子热套浸漆、定转子装配进行了工艺研究。经过样机试验，效果较好。

一．风电发展现状

1. 国外风力发电机的发展现状

2. 国内风力发电机的发展现状

3. 预测

4. 风力电机发展趋势

1. 电机技术要求

2. 电机主要结构

电机结构主要由前端盖、定子、转子、后端盖、主轴承、和锥形支撑等6大零部件组成。

2.1 电机结构二维示意图

1．前端盖；2．定子；3．转子；4．后端盖；5．主轴承；6．锥形支撑2.2 电机结构三维示意图

电机整体示意

电机分解示意

3. 电机主要参数

前端盖

锥形支撑

主轴承

转子

定子

后端盖

4. 电磁性能分析

4.1 静态磁场分析

气隙磁密分布磁密分布

电机二维1/6分析模型磁力线分布

4.2 短路性能分析

4.3 永磁体去磁分析

分析永磁体在额定负载和6相短路时去磁情况，此工况下绕组磁场分布用于退磁。

4.4 发电性能分析—空载

4.5 发电性能分析—独立负载

4.6 发电性能分析—接电网（负载2MW）

结论：通过对2MW60极永磁同步发电机的磁路分析，发电性能分析，论证了该永磁发电机的性能如下：

1）当发电机单独负载2MW供电时，电机效率大于95% 。

2）当发电机与电网连接时，可在满载范围内保证高的发电性能指标（电机效率大于95.5% ）。

3）6相突然短路时，永磁体不会退磁。

5. 主要解决的技术问题

5.1 多方案比较

结论：在试制造设计阶段，设计团队对以上提出的方案，分别从电磁性能、定子结构和定子绕组、转子结构、电磁场分析以及仿真分析验证等四个方面进行了论证，最终采用了方案八。该方案在体积上和ABB相当，并且考虑到没有此类电机的设计生产经验，而且该方案电机的磁密、电密、热负荷都留有较大裕度。

5.2 防磁钢退磁

5.2.1 永磁电机退磁主要有以下几种:

1）大电流冲击退磁：

由于现在的控制器采用了矢量控制技术，电机在起动过程中以额定电流恒定力矩起动，没有电流冲击。由于电机最大电流发生在故障状态下三相短路时的短路电流，因此，在设计时只要保证校算短路状态下磁钢工作点在磁钢工作曲线拐点以上，就能保证电机在使用过程中不会因大电流冲击而退磁。现在磁钢在额定使用温度下，拐点基本在0.2以下，只要设计合理完全能满足电机要求。

2）高温退磁：

主要控制电机热负荷保证电机温升小于磁钢使用温度。采取措施减小高次谐波在磁钢表面中的涡流损耗，保证磁钢温度。

3）化学退磁：

以上二种退磁都是在特定条件下发生的，只要设计得当，保证材料性能，就能防止退磁发生，均与磁钢寿命无关。只有化学退磁是逐步发生的，直接影响磁钢的使用寿命。

磁钢的化学失效主要源于磁钢中的稀有金属和氢元素的化学反应，从而使磁钢失效。在空气中存在的氢气以及在潮湿状态下存在的氢离子与磁钢接触，是造成磁钢失效的主要原因。

5.2.2 磁钢的化学失效及其解决方法：

要想解决磁钢长期化学失效的问题，首要的是要做好磁钢的防护。磁钢在出厂前已经根据设计的防护要求，做好了防护层。在保证磁钢防护层完好的情况下，是可以保证磁钢的使用寿命。可是如何保证磁钢在装配过程中保护层不受损伤，是工程上要解决的主要问题。

目前，在大型永磁电机中，还无法实现转子整体充磁。普遍采用先充磁后装配的工艺方法。使用这种方法时，尽管采用工装或专用设备，但由于磁钢强大的电磁吸力，无法绝对保证磁钢保护层不被划伤。针对以上情况我们主要采用如下方法，解决磁钢保护层在装配中的划伤问题。

结合电机设计中减少高次谐波在磁钢中的涡流损耗，采用冲叠一体的工艺方法，用矽钢片制造磁钢盒，使磁钢在不充磁状态下与磁钢盒进行装配，用环氧漆整体灌封后进行充磁。这样既保证了磁钢保护层不被划伤，又进行了二次保护，进一步加强了磁钢的固定。使得在下一步的磁极装配中，磁钢的保护层不与任何接触面产生滑动摩擦，避免磁钢保护层的划伤。具体工艺过程见图1和图2：

图1

1. 冲叠一体的磁钢盒

2. 未充磁的磁钢

图2 磁钢嵌入磁钢盒

将图1中所示的未充磁的磁钢，按照设计要求，安装到已经冲叠为一体的磁钢盒内，组成磁极。安装完毕后，用环氧漆将磁极整体灌封。最后进行充磁。 5.2.3 结论

通过以上工艺处理的磁极，经过试验证明，磁钢的保护层完好。可以防止电机产生化学退磁。同时这种装配结构还可以方便的进行永磁电机转子磁极的更换。经过在湘电2MW 永磁直驱风力发电系统中使用，效果良好。 5.3 定位阻力矩

永磁电机由于转子上有磁钢，因此本身有一定的阻力矩。作为直驱风力发电机，此参数直接影响系统的起动风速。我们通过改变槽数和等效极弧系数，通过有限源磁场分析、计算满足整机要求。 电机三维电磁场分析模型

1

2

齿槽转矩曲线

5.4 减小转子谐波损耗

结合磁钢的防护，将硅钢片冲叠一体的工艺方法制造成磁钢盒，然后将磁钢安装到磁钢盒中，使磁钢磁路在磁钢盒中形成回路，此方法有效减少谐波损耗。经试验，转子温度较低；通过对转子谐波损耗的分析，该结构有效的减小了转子的谐波损耗。磁钢盒如下图。

5.5 主要工艺研究

5.5.1 定子热套工艺

1）由于电机的散热方式为自然风表面冷却，因此机壳和定子铁心外圆接触的面积越大，电机散热的效果越佳。由此，工艺要保证电机机壳和定子铁心的外圆的加工精度。

2）选用合理过盈量，可以保证电机的最大扭矩。

3）根据电机选用的过盈量，对机壳和定子铁心的变形量进行校算，得出电机机壳和定子铁心的变形量小于0.3mm。

●有限元模型

●等效应力

●接触面压力

热套温度210℃。

结论：经过有限元分析，机壳和定子铁心的过盈量满足输出力矩的要求；机壳和定子铁心的变形量小于0.3mm，不会影响电机性能。

5.5.2 定子真空压力浸

电机定子铁心的体积大，在浸渍过程中，存在定子铁心槽内挂漆量不足的问题，这将影响电机定子的绝缘。为了保证挂漆量，采用旋转烘胚。

5.5.3 设计转子装配专用工装

由于转子本身的带磁问题，在转子安装到定子上时，装配过程会引起转子与定子的磕碰问题。磕碰会损坏转子铁心，甚至会破坏磁钢表面防护层，最终将会影响电机的性能和使用寿命。为了解决这种安装上的磕碰问题，设计专用工具。

6. 结论

本电机方案，无论在设计还是在制造上，均充分考虑了试制时间紧迫的情况。为最大限度满足市场需求，增大研制的成功率，本方案采用工厂较为成熟的传统结构和工艺。

通过样机的试制，型式试验分析，本电机在性能上均满足了整机对电机的技

在随后的风场测试和运行中，电机能满足整机对其的技术要求和设计要求，效果良好。