《2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍-杨振河解析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍-杨振河解析.pdf（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、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。2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍一.风电发展现状1.国外风力发电机的发
2、展现状欧盟，风能处于新能源的领头羊胞位在2007年在欧洲，风电大约占r新宏电装机的4。%全球风电技米最先进的国家惕如 2007年,H电法札皆量占至球的24%来自风战的电力相当于概国2007年电力思消帚的7.2%出口成为K：主耍用长点1400014000I I；惠I Iwornwornto(nto(ntoffitoffi2(xn2(xn+20Q7年.在世界范围的收电息装机中排 行第三，美国司装机总连续三年处千世界国无地位 2007年，宝国的总装机这剂了15145兆瓦.2。了军，风机装机总量达到了16,印度丹麦印度新安装一；前兆瓦，总共礼量大约 为3,口胃麦再JLJ4能海:占.是tt.界4脏利司上
3、无行酒00兆瓦*居世界奈四2007年底A串点打容量为31J0MW，同匿占其息发电的20%2.国内风力发电机的发展现状本富的风力呦用/粹许室机制风电发械耳有R蜉的伊源荃曲法改委那行园电恃许权明目.任大门4电什堂坝用.堆高广产瓜品制造代力/营理林米和寻监 住风电开廿堂世行面.中E已津成1OO手风电场 a 掌枫丁碣电场运行甘丁的拉木和壁舞产可再生稣源您 年和齿，工可再生就源法 正式生效，大大f足进了风电产业的煲厘/并网式电后发展中同并科地电也 E 电电化发慢的新钱.公。:赢我孤“r；-七,舟,阳网风电也举J H现粗丁丽佳时机 研发飞力量电系统，尽快满小我国国力贵电与世界风力比电收4t术平.之何的整距
4、，回避我SI瞰 电广业的它啊.目前正面隔最佳一时惧2007T.堂画新员机容砧达3304MW,比2006革增长率为147,1/思装机吊也排列了世律第五从零计市场份飘者,内存与外检企业存在8 1弘的差距3.预测酸至2UC四年，欧洲将维续占据主导位 2。）。年取培金母风电竟争力进一步加僵A 美四,无风是美国将在雨同期末期我力于风电置展紫南JL快速地K,尤其星巾嗖和中国 长期亚测二A 前计到2OM年锦.全球累计安装量达235OOOMW,用电占重尊思修电布场的2.3%WO15年我国风力发电用彼达到1%措万千瓦，JOJOWOUTJOJOWOUTJ JT TJE,实现全国电力装机总量AnnuAnnu即I I
5、 WIM PoWIM Po讪面 口州*lonmem*lonmemMM 1 1KaKnKaKnT”T”划XJR wx moCXJR wx moCMJKEMJKE3 3。工UCC tax 5 3jrc cUCC tax 5 3jrc c3%国电转机方学以平竹每年.30%的冷度前墙.杆里成为世呼最大的风电市局4.风力电机发展趋势-rt*幽*X 修啾W0卜4 4知事N N、1WU41WU4当前，风力发电系统发电机单机容量越来越 K,有利干减少占地，降低 并网成本和单位功率造价，无瓦级风力发电机将在风电场中占主导地位失速调节广主动失常/定速母A0%变速控制齿轮箱变奖距调节0、6A.0变速调节无齿轮箱I风
6、力发电机正在逐步实现直驱化，这是一种很有发 展前途的技术，属于国际前沿先进项目取消增速齿轮箱,中机袖自接连接到风机轴上.转 速随风速而改变,其交流电的频率随之变化，经过置 于地面的大功率电力电子变换号.将频生不定的交流 电整流成直流电，再逆变成与电网向频率的交流电在所有的风况下都能获得较大的空气动力效率.提 高了持捉风能的效率,试验表明,在平均风速6.7mA时，变速风电机要比恒速风电机多捕获15%的风能机俄重星减轻，改善各部件受力状况，风机文漳结 构城轻，基阴建设费用和运行维护费用较低永磁发电机型风力发电系统是未来风力发电技术的主要 方向，对大型直驱式设计尤其如此兆瓦级永磁直趋化 系统的电能输
7、出是按它获得的空气体积的三次方增加的,随着风力发电机组单机容量不断增大，系统各结构部件的重 量也会成比例增加，因此开发结构简单的兆瓦级永磁禺电机 具有较大的优势随着永磁材料技术，现代电力电子技术，控制技术的迅 速发展，兆瓦级永磁风力发电机风电系统市场前景一片光明二.湘电2兆瓦风力发电机介绍1.电机技术要求2.电机主要结构基本电气怛我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.电机主要参数电机型号电机型式防护等级冷却方式
8、绝缘等级符合标准环境温度（外部空气）,相对空气湿度安装最大海拔高度工作制.额定率额定功率因数额定电压极数相数频率GPM-1-2000永磁同步IP55风冷FGB755-2000401001000C%mS12110kWV0.9766060一2X311.25HzA额定电流2 X 924.775额定转速效率额定转矩22.595J933228rpm%N.mkgkgkg.m2i接法1转子重量,电机重量YY11118.254729128059WW惯量4.电磁性能分析4.1静态磁场分析电机二维 1/6 分析模型磁力线分布气隙磁密分布L L1MMI4VJ1MMI4VJU UK.NHiMdaCiK.NHiMdaC
9、iLELEJ J”JUJU盛卬上ugMEMQugMEMQLSCOhbHKlQLSCOhbHKlQiJMMLdJCliJMMLdJCllr(S*30lr(S*30immimm4.ICIMB Ui Ui*bUlaiabUlaia4.nmi-oai 3.4.nmi-oai 3.MMMM 何1 1品KmzgjKmzgji iwvgB-wiwvgB-wiaiTBWkrWeaiTBWkrWe。入亘密一O O麻杂JWIJJJJWIJJJTJTT.Tl 9ICW7TJTT.Tl 9ICW74.2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。kbmei
10、kbmei AmAm值salqsalq-dra*4.5发电性能分析一独立负载4.6发电性能分析一接电网（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
11、，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。采取措施减小高次谐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。波在磁钢表面中
12、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，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，造成磁钢失效的主要原因。就是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
13、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
14、1和图2：图 11.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
15、机要求。电机三维电磁场分析模型*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经试验，转子温度较低;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。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
16、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*SUMMATION OF TOTAL FORCES AND MOMENTS IN COORDINATE SYSTEM 11*SUMMATION OF TOTAL FORCES AND MOMENTS IN COORDINATE SYSTEM 11NOTENOTE：THE SUN IS DONE THE SUN IS DONE ININ COORDINATE SYSTEMCOORDINATE SYSTEM 1111FK=-47435&.SFYFY-0.22725700.2272570FZ=0.2&O3G95E-11FZ=0
17、.2&O3G95E-11MX=0.3443162E-01MX=0.3443162E-01MVMV=84040.184040.1HZHZ=-0.S499292E-10-0.S499292E-10SUMMATION POINT-0.90M0SUMMATION POINT-0.90M00.90000.90000.03000.0300II热套温度210 Co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
18、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术要求。试验项目定子绕组相电阻设计值保证值试验值15C(Q)额定电流(A)额定电压(V)功率角(degree)额定功率(kW)效率(%)功率因数(超前)额定转速(r/min)0.006040.00551854.62X981.56601660-44.52110950.9722.510538.32110950.9822.56300.4633657560002110960.97222.574.13650.90.3535401nn定于绕组温升(K)基波空载电压(V)波形畸艾率(%)1齿槽力矩(N.m)噪声功率级dB(A)最大振动值（mm/s）轴承温度（C）|11f 1072.8II 9598.771.572-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。