大型變頻感應鼠籠式風力發電機設計及溫度場仿真

覃四珍，劉勇輝，尹曾鋒，嚴世洪

(海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭411101)

0 引言

在能源短缺和環境污染日益嚴重的今天，風能作為最重要的替代能源之一引起了越來越多的重視，風力發電技術在世界范圍內得到了巨大的發展。目前風力發電機機組的主要發電機機型有：雙饋風力發電機、同步發電機、永磁直驅發電機、變頻鼠籠異步發電機。其中雙饋風力發電機占據主導地位，但是隨著大功率電力電子設備的發展，全功率變換型風力發電也不斷向大功率等級發展。其中鼠籠電機具有重量輕、結構簡單、價格低廉、維護方便等優點，使得基于鼠籠異步的全功率風力發電系統受到越來越多的關注。下文以近期開發的3MW鼠籠發電機為例，對其設計過程及溫度場進行分析。

1 技術指標要求

3 MW鼠籠式發電機的主要技術指標要求如表1所示。

2 工程設計

設計過程中以雙饋風力發電機系列中的 3 MW繞線式雙饋異步發電機為參照進行3 MW鼠籠式發電機的方案設計，在設計過程中吸收原有成功經驗并針對現有問題進行改進。

2.1 整體設計

發電機機座采用鋼板焊接結構，以加強機座的鋼性，冷卻器布置在發電機頂部，出線盒在發電機側面，出線均采用填料函引出。發電機為單軸伸，采用二個6338M/C3滾動軸承，軸承絕緣采用絕緣端蓋，潤滑方式采用脂潤滑。

2.2 機座

發電機機座采用整體式鋼板焊接結構，由軸向排列的四塊厚鋼板與徑向圓周排列的八塊厚鋼板焊接而成。

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借鑒 3 MW 雙饋風力發電機的機座進行設計，根據后續溫度場分析在機座上增加了背部通風，機座上開有通風窗口，與冷卻器聯接。

2.3 端蓋

采用絕緣端蓋，并根據風力發電機現場運行經驗，增加軸伸端接地刷碳，可更有效的防止軸承發生電腐蝕的現象。

2.4 定子

2.4.1 定子鐵心

定子鐵心是整圓硅鋼片沖制，由扣片、通風槽板和壓圈等零部件組成。定子沖片采用50W的W600冷軋硅鋼板，沖片沖出16扣片槽，先將沖片全部疊壓后扭斜，用扣片拉緊焊牢，疊壓時沿軸向分成數個疊片段，段間放置導風片，形成徑向通風溝。

2.4.2 定子繞組

定子繞組為雙疊繞組，線圈設計計算時發現，如達到要求尺寸，則線圈間隙為 4 mm，相互串聯的線圈間連接用并頭套，線圈組與導電環間用銀銅焊，在爬電距離不夠的地方半疊包云母帶兩層、半疊包玻璃絲帶兩層。端部則分別采用玻璃絲芯滌綸套管和空心滌綸套管將繞組與固定件和端箍等綁牢，后再經真空整體壓力浸漆，使繞組端部具有足夠的強度和剛度，匯流排之間有專門的夾板相互隔離。既保證了電氣絕緣強度，又滿足電機三倍過載狀態時的繞組端部受力不至于損壞的要求。

2.5 轉子

2.5.1 轉子總體結構

轉子由轉軸、轉子鐵心、轉子導條、轉子端環等零部件組成，轉軸參照3 MW繞線式雙饋異步風力發電機轉軸結構進行設計。并根據以前生產制造經驗，先對轉軸單獨去重校動平衡，要求為G1.0，避免轉軸不平衡量過大造成轉子校動平衡困難。

2.5.2 轉子導條

轉子短路方式參照我公司以前生產的小功率鼠籠風力發電機的短路方法采用銅端環。該方法安裝方便，固定簡單。

2.6 軸承結構

軸承結構按我公司3MW雙饋風力發電機結構進行設計，原軸承型號為6338/C3,在此次設計時，由于轉子重量減小，考慮將軸承型號改為6336/C3。經計算，6336/C3軸承滿足使用要求，但6338/C3具有更高的可靠性，考慮到端蓋能與3 MW繞線式雙饋異步風力發電機通用，將軸承型號定為6338/C3。

3 流場及溫度場分析

3.1 風路設計

發電機風路采用空水冷形式。利用閉式循環、雙邊進風的軸徑向通風系統。冷卻空氣經離心風扇分三路吸入電機內部，一路經氣隙，進入定子鐵心徑向風溝，再進入機殼與鐵心的空檔出風；另一路通過轉子焊筋軸中間通風孔，經轉子鐵心徑向風溝、氣隙再進入定子鐵心徑向通風溝，再經機殼與鐵心的空檔出風；第三路過定子繞組端部，進入機殼與鐵心的空擋出風，這三路風匯合后，經電機機座上面的冷卻器冷卻，再進入電機內部，形成閉式循環。

3.2 流固耦合仿真邊界條件

采用流固耦合計算方法，在Fluent仿真軟件平臺上對3 MW鼠籠轉子異步風力發電機的溫度場進行了仿真分析。根據電機定轉子結構在圓周方向的周期對稱性和軸向對稱性，取電機軸向一半，周向1/6作為仿真區域。仿真邊界條件設定如下：1)入口空氣溫度：設定的發電機入口空氣溫度 45℃。2)入口空氣流速：根據發電機總風量（單邊風量為 2.5 m3/s）和進口流通面積計算得到為8.48 m/s。

3.3 溫度場計算結果

對電機模型進行計算，計算結果如下圖所示。

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電機各部分溫度場數據見表3。

經溫度場計算，在入口空氣45℃、三路通風的情況下，電機的最高溫度出現在定子繞組上，其最高溫度為111.3℃，滿足溫升考核要求。

4 結語

鼠籠式風力發電機與繞線式雙饋風力發電機基本相似，但其對比之下又具有較多優勢，例如結構簡單、免維護，且不帶滑環，降低的電機制造成本并減少了故障點。本文根據我公司在繞線式雙饋風力發電機的制造經驗，對鼠籠式風力發電機進行方案及工程設計，改進了導致雙饋風力發電機運行中易發生故障的結構，并對其溫度場計算，計算結果符合電機溫升考核要求。

通過樣機試制及試驗結果來看，鼠籠式風力發電機能達到現有風力發電機主力機型的性能指標，并具有自身的優勢，在未來風電發展中，具備較強的市場競爭力。尤其在環境惡劣，難以定期維護的海上，可優先考慮使用免維護的變頻鼠籠式風力發電機。

[1]梅柏杉,吳迪,馮江波等.鼠籠式感應電機風力發電系統新型控制策略[J].華東電力,2013,41(2):0367-0370.

[2]荊龍.鼠籠異步電機風力發電系統的優化控制[D].北京:北京交通大學,2008.

[3]湘潭電機廠.交流電機設計手冊[Z].長沙:湖南人民出版社,1978.

[4]喬明.采用異步發電機的風力發電系統研究[D].北京:北京交通大學,2008.

[5]陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社,2000.