2兆瓦永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機研制介紹

2兆瓦永磁直驅(qū)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電合資公司，從荷蘭引進了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的成套技術(shù)，其中發(fā)電機為ABB生產(chǎn)的永磁直驅(qū)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(fēng)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(qū)發(fā)電機。在設(shè)計上，集合了國內(nèi)優(yōu)良資源，組成產(chǎn)學(xué)研一體的設(shè)計團隊，采用先進的有限源分析方法，著重解決了磁鋼化學(xué)退磁、減小定位阻力矩、減小諧波在轉(zhuǎn)子中損耗以及參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)問題。在工藝上，對定子熱套浸漆、定轉(zhuǎn)子裝配進行了工藝研究。經(jīng)過樣機試驗，效果較好。一?風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀1.國外風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀歐盟，風(fēng)能處于新能源的領(lǐng)頭羊地位在2QQ7年在歐洲，現(xiàn)電大約占了新發(fā)電裝機的4。％,全球段電技k蛹先進的國家-2007年，風(fēng)電裁仇容量占皇球的2耳％?來自風(fēng)能的屯方町當(dāng)于德國2007年電力總消費的7.2餡帝口成為其主要增長點A美國、20。7年，在世界蒞圍的鳳電總裝機中排行第三-美國新裝機總崖謠繾-三年處于世界領(lǐng)丑地世2007年，全國的點裝D謎到了、20。7年，在世界蒞圍的鳳電總裝機中排行第三-美國新裝機總崖謠繾-三年處于世界領(lǐng)丑地世2007年，全國的點裝D謎到了15145兆瓦.-2007年，周機裝機總量達到了16,可也滿足西班牙全國電力需求的1。兄成日兆瓦■代;欠干袍國位:屆世罪第二＞巾度＞丹麥頂度新安裝了1730兆瓦，總裝機最大約為8,口瀏J兆瓦,丹麥海:上風(fēng)能黃擷豐菖，是世界鳳能利用的光行者，居世界第四■2007年底風(fēng)電裝機容量為313OAAW,風(fēng)電占其總發(fā)電最的4。監(jiān)其丸lMC猝志真新.心瞄昌偵W2.國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀/豐富的鳳力資源鳳電谷展具有昆蜉的資源基礎(chǔ)『特許段FL剃為MJ3年,法*宣推行風(fēng)電特許程殉目，擴大了風(fēng)電開與理律，髡高了國產(chǎn)設(shè)備制造能力，管庵技術(shù)和徑驗在風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方面，中國已謹(jǐn)成IGO步風(fēng)電場，掌握了風(fēng)電場遠(yuǎn)行首理的技木和經(jīng)驗J可再生能源法為年開蛤，敏可再生就源法泠正K生裁.大大忸謎了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展＜井網(wǎng)風(fēng)電場發(fā)展中國井網(wǎng)風(fēng)電步入觀椎化發(fā)履的新F/rH.高網(wǎng)風(fēng)電也初是規(guī)模/履佳時粗研發(fā)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)?用快璋小我國風(fēng)力財電與世界風(fēng)力推電技術(shù)水平.之間的差曲，促進描國凰電產(chǎn)業(yè)的度展，目物正面臨景俺時忸

■2007年，全國新裝PL容￡j￡3304MWt比2DQ6年增長率為147.1%?總裝機昌也排到了世界第五?從祟計市場你疆有，內(nèi)賞與外資企業(yè)存在&璀的差距nnr.Iiijr^I"向imhdin?Hoak?S-ieMT政nwhi?從祟計市場你疆有，內(nèi)賞與外資企業(yè)存在&璀的差距nnr.Iiijr^I"向imhdin?Hoak?S-ieMT政nwhimj白心都JP也心拓.i.''-；r[[1°■-|-'!-f■■<3.預(yù)測A哉至衛(wèi)也為年,歐期將擎縝占據(jù)主導(dǎo)地位2009年以后，至球鳳電競爭力進一白心都JP也心拓.i.''-；r[[1°■-|-'!-f■■<A預(yù)計^2014年底.全球果計安裝量這235O0OMW,風(fēng)電占全球總供電量市旬的三3怖201S^p我國風(fēng)力專電痢模達?iJ15OC）萬千瓦，2020^40007;千瓦，實現(xiàn)全國電力裝機總量3%>凰電裝帆容盤削平均每年3。％，的速度謎增|方望成為世界最大的風(fēng)電市場風(fēng)力電機發(fā)展趨勢

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機單機容量越來越大，有利于減少占地，降低并網(wǎng)成本和單位功率造價，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機將在風(fēng)電場中占主導(dǎo)地位失速調(diào)節(jié)「主動失速/~一-定速‘％變速控制fjjf齒輪箱J變整距調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié)J無齒輪箱Ia風(fēng)力笈電機正在逐步實現(xiàn)直驅(qū)這是一種很有芨展前途的技術(shù)，屬于國際前沿先進項目取消增速齒輪箱，電機軸宣樓連接到風(fēng)機釉上，轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率隨之變化，經(jīng)過置于地面的大鳥率電力電子變插器'將族率不定的交流電整流■成直流電'再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電■在所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣有力效率，提高了擂捉原能的效率。試驗表明.在平均風(fēng)速6.7h/3時，變速風(fēng)電機要比恒速鳳電機多捕荻1網(wǎng)的風(fēng)能■機船重量減輕,改善各部件受力狀況'風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)減輕，基礎(chǔ)建設(shè)踹用和運行維護費用陵低兆瓦級永磁直趨化兆瓦級永磁直趨化?永磁發(fā)電機型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主要方向,對大型直驅(qū)式設(shè)計尤其如此?系統(tǒng)的電能輜出是按它獲得的空氣體積的三次方增加的,隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量不斷增大，系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)部件的重量也會成比例增加，因此開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單的兆瓦級永磁發(fā)電機具有較大的優(yōu)勢?隨著永磁材料技術(shù)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制技術(shù)的迅速發(fā)展，兆瓦級永磁風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)電系統(tǒng)市場前景一片光明二.湘電2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機介紹1.電機技術(shù)要求rUHLMit仇栽申(%)做奉岫h仙<n4>電機'UJGPM-l-2O0H：i!-LJ■211.0Nio0O1米V■til敬xi.HI9511.活Hz■心對：22.耳tiki50必5聰態(tài)如*ttlJ>小1■?L-lH'II"75955SOt■滄啤'汗14HW1'1"IH沔，Mi：i拎注■■10095南KWiKS基本電性能2.電機主要結(jié)構(gòu)電機結(jié)構(gòu)主要由前端蓋、定子、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)二維示意圖1.前端蓋；2.定子；3.轉(zhuǎn)子；4.后端蓋；5.主軸承；6.錐形支撐2.2電機結(jié)構(gòu)三維示意圖電機整體示意電機分解示意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(fēng)冷絕緣等級F符合標(biāo)準(zhǔn)GB755-2000環(huán)境溫度（外部空氣）40°C相對空氣濕度100%安裝最大海拔高度1000m工作制S1額定功率2110kW額定功率因數(shù)0.97額定電壓660V極數(shù)60相數(shù)2X3頻率11.25Hz額定電流2X924.775A額定轉(zhuǎn)速22.5rpm效率95%額定轉(zhuǎn)矩933228N.m

接法YY轉(zhuǎn)子重量11118.25kg電機重量47291kg轉(zhuǎn)動慣量28059kg.m24.電磁性能分析4.1靜態(tài)磁場分析磁力線分布磁密分布?xì)庀洞琶芊植伎贚,H!H■皿口L.TmiF^D1.LiKQ1B：??2Dli4F->l￡niEKIDLINMnHOg.EMHa-lKIlm.心&如1S.EMln-ddl4.K9HIP9U磁力線分布磁密分布?xì)庀洞琶芊植伎贚,H!H■皿口L.TmiF^D1.LiKQ1B：??2Dli4F->l￡niEKIDLINMnHOg.EMHa-lKIlm.心&如1S.EMln-ddl4.K9HIP9UrOTIr-Qaiiipms：-QgiOilOSilEniKlD舊33為走的W爐］IE4.2短路性能分析WWQ1T頊偕「1岷皿ns電F雄電濕：：■大電流信改個斐，4.3永磁體去磁分析分析永磁體在額定負(fù)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。MagnerFluiCersily!McgwJfIieDen^ly工/】有$相“偌2.hI蛆「1燦十'亂畫*￡7同15序％1■菱4.4發(fā)電性能分析一空載TorwrfcTme4.5發(fā)電性能分析一獨立負(fù)載4.6發(fā)電性能分析一接電網(wǎng)（負(fù)載2MW）結(jié)論：通過對2MW60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(dāng)發(fā)電機單獨負(fù)載2MW供電時，電機效率大于95%。2）當(dāng)發(fā)電機與電網(wǎng)連接時，可在滿載范圍內(nèi)保證高的發(fā)電性能指標(biāo)（電機效率大于95.5%）。3）6相突然短路時，永磁體不會退磁。主要解決的技術(shù)問題5.1多方案比較結(jié)論：在試制造設(shè)計階段，設(shè)計團隊對以上提出的方案，分別從電磁性能、定子結(jié)構(gòu)和定子繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、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(dāng)，并且考慮到?jīng)]有此類電機的設(shè)計生產(chǎn)經(jīng)驗，而且該方案電機的磁密、電密、熱負(fù)荷都留有較大裕度。5.2防磁鋼退磁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(shù)，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(shè)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(shè)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(fù)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(xué)退磁：以上二種退磁都是在特定條件下發(fā)生的，只要設(shè)計得當(dāng)，保證材料性能，就能防止退磁發(fā)生，均與磁鋼壽命無關(guān)。只有化學(xué)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(xué)失效主要源于磁鋼中的稀有金屬和氫元素的化學(xué)反應(yīng)，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(xué)失效及其解決方法：要想解決磁鋼長期化學(xué)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(shè)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(zhuǎn)子整體充磁。普遍采用先充磁后裝配的工藝方法。使用這種方法時，盡管采用工裝或?qū)Ｓ迷O(shè)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(jié)合電機設(shè)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2：1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中所示的未充磁的磁鋼，按照設(shè)計要求，安裝到已經(jīng)沖疊為一體的磁鋼盒內(nèi)，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(jié)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。可以防止電機產(chǎn)生化學(xué)退磁。同時這種裝配結(jié)構(gòu)還可以方便的進行永磁電機轉(zhuǎn)子磁極的更換。經(jīng)過在湘電2MW永磁直驅(qū)風(fēng)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(zhuǎn)子上有磁鋼，因此本身有一定的阻力矩。作為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，此參數(shù)直接影響系統(tǒng)的起動風(fēng)速。我們通過改變槽數(shù)和等效極孤系數(shù)，通過有限源磁場分析、計算滿足整機要求。電機三維電磁場分析模型

齒槽轉(zhuǎn)矩曲線5.4減小轉(zhuǎn)子諧波損耗結(jié)合磁鋼的防護，將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(zhuǎn)子溫度較低;通過對轉(zhuǎn)子諧波損耗的分析，該結(jié)構(gòu)有效的減小了轉(zhuǎn)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(fēng)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。有限元模型等效應(yīng)力=1==001976=a442E+07=.277E-bOE：.442E+O7b959E+D7A48E+08“199日如8?251E-h：i8.T01E-H37.122E+0B.174Ei-0fl.22SE+0B一2】肛柘8接觸面壓力

*****SUMMATIONOFTOTALFORCESANDMOMENTSINCOORDINATESYSTEM11NOTE：THESUMISDONEFX=-474356.5FY=0.2272570FZ=0.2603695E-11MX=0.3443162E-01M￥=84040.61MZ=-0.8499293E-10SUMI1ATIONPOINT=0.QQQQ1INCOORDINATESVSTEM11Q.0QQQQ.Q0QQ熱套溫度210°C。結(jié)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(nèi)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(zhuǎn)烘胚。5.5.3設(shè)計轉(zhuǎn)子裝配專用工裝由于轉(zhuǎn)子本身的帶磁問題，在轉(zhuǎn)子安裝到定子上時，裝配過程會引起轉(zhuǎn)子與定子的磕碰問題?？呐鰰p壞轉(zhuǎn)子鐵心，甚至?xí)茐拇配摫砻娣雷o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(shè)計專用工具。6.結(jié)論本電機方案，無論在設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)要求。試驗項目設(shè)計值保證值試驗值定子繞組相電阻15C(。)0.006040.0055額定電流(A)