MW級直驅永磁風力發電機定子鐵心疊壓裝置及工藝

時興華

(永濟新時速電機公司工藝技術研究所，山西永濟 044502)

0 引言

永磁直驅風力發電機組由風機葉輪直接驅動發電機旋轉，通過全功率變流器，將電壓和頻率變化的三相交流電變成電壓和頻率均恒定的交流電源，向電網輸送功率。永磁直驅發電機具有結構簡單，可以在較寬的運行范圍內，保持較高的功率因數和效率。同時免去了齒輪箱這一高故障率部件及滑環裝置，具備低噪聲、長壽命、易維護，高效率、低電壓穿越能力強、結構簡單、運行可靠等優點。由于國家對風力發電入網標準的進一步提高，全功率永磁同步風力發電機組能較好的滿足電網新的要求。因此，大功率永磁同步風力發電機組也成為風電行業的重要發展方向，更多的風電設備制造廠商選擇了該項技術作為未來的主要技術方向。

永濟新時速電機公司制造的一款2.5 MW永磁同步風力發電機定子鐵心直徑4.7 m，重約29 t，鐵心采用扇形沖片直槽結構，是該公司首次生產制造的直徑最大、噸位最大的外疊壓扇形沖片直槽結構的永磁風力發電機，本文將針對其結構特點在定位、疊片、整形、施壓、吊運等方面介紹一些新結構、新工藝方法。

1 定子鐵心疊壓裝置新結構及新工藝方案設計

1.1 定子鐵心結構介紹

定子鐵心是發電機定子上的重要部件之一，在很大程度上決定了電機的性能與質量。該直驅永磁同步風力發電機定子鐵心以扁筒式定子支架為基體，整個疊壓過程中定子支架作為本體和疊壓基準。30片扇形片均勻分布組成一層，層與層間二分之一錯層疊裝。沖片通過60件沖片固定鍵固定在定子支架上使之成為一個整體。鐵心疊裝后必須保證鐵心槽尺寸15.6±0.1 mm，散熱孔尺寸 φ28±0.1 mm。疊壓系數大于 0.97。鐵心在尺寸精度、平整度、密實度方面均有較高的要求。按照以往的中小電機定子鐵心疊壓工藝方案及疊壓裝置結構難以滿足該鐵心的疊壓技術要求，必須研究新的工藝方案及疊壓裝置來保證該鐵心的疊壓需要。

1.2 疊壓工藝方案的確定

根據該鐵心扁筒式定子支架的特點及要求，克服扁筒狀支架無基準，易變形，鐵心無大臺面壓裝機施壓的特點，通過論證分析，確定了合理的疊壓工藝流程:支架落位—疊片—一次人工預壓—疊片—二次人工預壓—疊片—三次人工預壓—調整鐵心長度—人工終壓—沖片固定鍵緊固—鐵心整形—通槽—檢查交出—打標識共14個工序，其中支架落位、沖片固定鍵安裝是關鍵，疊片、施壓是重點。

1.2.1 定子鐵心疊壓基準的確定

定子鐵心疊壓基準的確定包括軸向基準和徑向基準兩個方面。定子鐵心以定子支架為基體，根據扁筒式定子支架自身結構特點，非出線端為一個加工平面，扇形片的疊裝應該由定子支架非出線端開始。以非出線端端部為基準，通過設計的疊壓平臺將非出線端端部基準進行轉化以便操作。轉化后其既作為疊壓軸向基準，又起到了支撐沖片的作用。由于扁筒筒式定子支架外徑與定子沖片內徑名義尺寸相同，理論上沖片靠緊定子支架外徑后，裝配公差能包容其配件偏差，緊靠定子支架外徑疊片可以滿足疊壓后鐵心外圓的尺寸要求。經過技術分析認為只要定子支架不發生塑性變形，在徑向以定子支架外徑為徑向基準可以滿足疊壓的需要。

1.2.2 定子鐵心壓裝方式的確定

定子鐵心直徑4.7 m，重約29 t。該公司沒有如此大臺面的壓裝機，不具備設備壓裝的能力。通過工裝拉桿人工擰緊實現對鐵心的施壓。拉桿緊固施壓不需要投入特別的設備，費用少，方便靈活，但壓力均勻度控制難，鐵心保壓下水平度、垂直度難保證。鐵心加壓的力源只有靠剛性疊壓平臺作為壓力支撐件，通過拉桿緊固對鐵心進行均勻施壓。根據以下經驗公式的計算將鐵心片間壓力轉化為工裝拉桿的力矩，通過定力矩扳手均勻擰緊工裝拉桿定量保證鐵心片間壓力。為了保證疊壓質量，壓緊后保壓不小于8 h。在疊片至一定高度時可安排中間預壓。

鐵心疊壓力可用式(1)表示:

式中:P——鐵心疊壓力;

K1——經驗系數，參考值:2 ～3;

S——扇形沖片凈面積;

Ψ——片間壓力。

疊壓力轉化拉桿預緊力可用式(2)表示:

式中:F——拉桿預緊力;

K2——經驗系數，參考值:1.0 ～1.4;

P——鐵心疊壓力;

N——拉桿數量。

拉桿螺紋擰緊力矩可用式(3):

式中:T——拉桿螺紋緊固力矩;

K3——拉桿螺紋擰緊力矩系數，參考值:0.1 ～0.3;

F——拉桿預緊力;

D——拉桿螺紋公稱直徑。

1.2.3 定子支架落位

為了不使扁筒式定子支架發生塑性變形，定子支架加工廠家極力避免定子支架的翻轉，在定子支架的加工、中轉工序中強制規定非出線端朝下，嚴格禁止定子支架的翻轉，嚴格禁止定子支架自身受沖擊力。由于軸向緊固的需要，支架落位時必須精確落位，以便鐵心施壓時緊固拉桿的緊固。如果落位不好就會造成返工。采取導向落位的工藝方法，在支架接近疊壓平臺過程中通過兩件導向柱精確落位。落位精度小于0.4 mm。定子支架落位后效果如圖1所示。

圖1 MW級直驅永磁同步風力發電機定子鐵心疊壓裝置示意圖

1.2.4 沖片固定鍵安裝問題的解決

由于扁筒式定子支架直徑大，扁筒式外壁厚度難以保證，誤差高達6 mm，如根據國外經驗，利用通用國標螺栓徑向緊固沖片固定鍵已達到緊固沖片的目的，但會出現旋入沖片固定鍵的螺紋長度不一致，徑向緊固力不均勻而存在質量隱患。采用特制雙頭螺柱代替通用國標螺栓，保證沖片固定鍵的旋入螺紋長度一致，另一端用螺母緊固。這樣有效規避了潛在質量隱患。

1.2.5 鐵心槽、散熱孔尺寸的保證

傳統電機定子鐵心一般采用定位棒定位鐵心槽來保證鐵心沖片相對位置，不對通風散熱孔做定位及尺寸要求。但水冷鐵心的散熱孔需安裝導水銅管進行散熱，為保證散熱效果，銅管與鐵心散熱孔一般設計為小間隙配合，通過漲緊設備將銅管漲緊在鐵心散熱孔中，如果不控制散熱孔尺寸，實際生產中銅管與散熱孔不是小間隙配合，而是過盈配合，導致銅管插入困難，甚至插不進去。采用雙定位方式，通過定位棒分別定位鐵心槽和散熱孔，合理選擇定位棒定位尺寸，避免產生過定位造成干涉現象。

2 應用實例

2.5 MW高海拔型直驅永磁同步風力發電機定子鐵心是永濟新時速電機公司為國內某知名風電公司研發的新項目，其定子鐵心為扇形沖片外疊壓的直槽結構。該定子鐵心疊壓是該電機定子制造的關鍵之一。該定子鐵心疊壓采用了上述新疊壓裝置和工藝。

疊壓前將桁架吊至疊壓場地上，調平;將疊壓平臺落位在桁架上，調平;然后落位定子支架，落位時利用導向柱精確落位。在定子支架芯筒對應位置安裝周向定位機構及斜鍥頂緊機構。

疊片時以疊壓平臺上平面軸向定位，以定子支架外圓徑向定位，以周向定位機構周向定位。單張沖片，二分之一疊放。疊至三分之一鐵心長度時，中間預壓一次。疊至要求鐵心長度時，在一定壓力下用緊固拉桿將疊壓平臺與上壓板拉緊。

鐵心在疊片過程中應按時對鐵心槽型進行修整，最后在保壓狀態下拆除周向定位機構，安裝沖片定位鍵，利用定力矩扳手均勻緊固鐵心，注意先徑向緊固，后軸向緊固。

該新結構疊壓裝置成功完成2.5 MW高海拔型直驅永磁同步風力發電機定子鐵心的疊壓，疊壓系數高達0.985，槽型不齊度小于0.12。目前該型鐵心已小批量生產。

3 結語

面對市場競爭壓力及更嚴格的入網要求，風力發電機組呈現更大單機大容量、永磁全功率等特點。MW級直驅永磁發電機定子鐵心的研制成功，將促進風力發電產業的再次快速發展，同時進一步提高該公司風力發電領域的業績和知名度，保持行業領先水平，為公司拓寬風電市場打下堅實的基礎。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京:化工工業出版社，2004.

[2]陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社，1982.

[3]張兆強.MW級直驅永磁同步發電機設計[D].上海:上海交通大學，2007.