自冷式滑環風路結構的設計

尹浩，侯卓琴，溫俊偉

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原030027)

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自冷式滑環風路結構的設計

尹浩，侯卓琴，溫俊偉

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原030027)

主要通過對目前風電產品所常用滑環室結構的分析，針對其在運行過程中存在的一些問題，介紹了一種自冷式滑環冷卻風路結構，闡述了其結構特點和技術優勢，并通過試驗驗證了其完全可以滿足設計要求，改善了滑環及碳刷裝置的工作環境，并取得良好的效果。

風能；雙饋異步發電機；滑環室；碳粉收集

0　引言

風能作為一種高效清潔的可再生能源，以其良好的社會效益和經濟效益逐漸成為世界各國發展能源的戰略重點。我國風能資源豐富，風電產業正處于起步發展階段，而雙饋異步發電機組以其較高的風能利用率和優異的性價比等優勢成為目前風力發電的主導技術之一?；h作為機組中雙饋異步發電機的一個重要部件，其運行的可靠性直接關系著電機的質量。為保證滑環的可靠運行，滑環室結構的設計特別重要。因此，針對雙饋異步發電機滑環的運行特點，我公司設計了一種自冷式滑環冷卻風路結構。

1　滑環風路結構設計

1.1滑環室功能

滑環室是滑環及碳刷安裝和防護的裝置，它主要包括滑環外罩的設計，風路的設計和碳粉收集裝置的設計。滑環外罩構成了滑環碳刷安裝的空間，具有一定的防護和承載作用；風路結構保證了滑環運行過程的冷卻，保證滑環碳刷工作在適合的溫度范圍；碳粉收集裝置主要是收集由于碳刷摩擦產生的碳粉，由于碳粉中存在重金屬，如果直接排入大氣中，會對環境造成污染，所以必須有碳粉回收裝置。目前滑環室結構大多采用了IP23的結構，冷卻系統采用的空氣冷卻。

1.2目前的技術狀態

滑環室作為雙饋電機必備的部件，不論在電機設計還是電機運行中都起著非常關鍵的作用，在現有的雙饋異步發電機中，基本采用了圖1所示的結構。

如圖1所示，滑環外罩采用了鋼板焊接結構，通過滑環外罩端板直接與端蓋采用止口配合，以保證滑環室與轉軸的同心度，滑環外罩本體設計為四方結構，碳刷刷架安裝桿兩端分別固定在滑環外罩的隔板和軸承座上；滑環室的風路采用了由上至下的設計。

圖1(a)所示的風壓源為一個軸流式的冷卻風機，整個風路由頂部冷卻風機進入，經過引線、碳刷裝置、滑環，最后經過碳粉過濾盒引出滑環室。

圖1(b)所示的風壓源為空冷器的出風支路，風路也是由滑環外罩頂部進入，經過引線、碳刷裝置、滑環，最后經過碳粉過濾盒引出滑環室。這種冷卻方式從空冷卻器出風端出來的風本身已經冷卻過電機本體，比環境溫度要高，對滑環室的冷卻效果與圖1相比較差。

通過風場長期運行發現，上述滑環室結構存在一定的缺陷，對電機運行造成一定的影響。

(1)滑環室與軸承組處于同一空間，滑環室的溫度直接影響軸承的散熱。

由于雙饋異步發電機主要應用于風力發電機組，在風電機組機艙內，各種部件的風路互相影響，電機運行環境比較復雜?；h碳刷裝置和軸承對環境的要求不同，若滑環室和軸承組處于同一空間，當滑環室溫度超過70℃以上，軸承溫度極可能報警，但這個溫度對滑環碳刷裝置來說仍能使用，所以在很多采用此種結構的機組中，當滑環室溫度偏高時導致了軸承溫升頻繁報警。

(2)滑環室風路阻力較大，不利于滑環碳刷裝置的冷卻。

由于軸流風機位于滑環室頂部，風路路徑經過了引線、碳刷裝置和滑環、碳粉過濾裝置等，整個風路風阻很大，風壓逐級減小，造成通風不暢，致使滑環室溫度較高。

(3)滑環室排碳效果較差。

通過對長期運行的電機觀察發現，滑環室的積碳比較嚴重，尤其在滑環室的死角處碳粉堆積明顯，而且在運行中由于風路不通暢，造成了滑環室內碳粉飛揚，極有可能造成滑環及碳刷裝置故障。

1.3設計要點

鑒于目前滑環室結構的設計缺陷，同時針對雙饋異步發電機和風力發電機組的運行特點，我們設計了一種自冷式滑環室結構，如圖2所示。

此種結構，滑環外罩端板與端蓋間采用過渡連接，使得非驅動端軸承與滑環的工作空間隔離，同樣采用止口配合，以保證滑環室與轉軸的同心度，碳刷刷桿固定在滑環外罩端板與滑環外罩壁板之間?；h外罩本體設計為多邊形結構，并且在滿足防護要求的前提下，在滑環外罩的多個方向都開有通風窗，如圖3所示。

滑環室采用自冷式滑環冷卻風路結構，風壓源是利用尾部自帶的離心式風扇隨轉子旋轉產生，風路路徑由滑環外罩壁板的內圓做導向，沿軸向從前向后(如圖2所示)，對比前述兩種結構由吹入式變為抽出式。

2　改進后的技術特點

(1)優化的風路結構改善了滑環室的散熱效果。

自冷式滑環室結構采用了一個軸帶的離心式風機，其位于滑環室的末端，正對滑環室的出風口，利用電機轉速高和離心式風扇風壓大的特點，避免了由于碳粉過濾盒風阻大使滑環室風量減小的缺陷，同時因為滑環室存在多個進風口，減小了進風風阻，同時一定程度避開了機艙內某一部件發熱對滑環室造成的影響，從而有效的降低了滑環室的溫度，提高了滑環裝置整體運行的可靠性。

(2)過渡式的滑環外罩連接結構避免了滑環室溫度對軸承的影響。

自冷式滑環室結構采用了與端蓋過渡式的連接結構，使滑環室與軸承組在空間上隔開，防止了滑環室溫升對軸承的影響，同時面向軸承組的滑環室端板為滑環室的進風口，在一定程度上對軸承組起到了冷卻的作用。

(3)多邊形的外罩結構減少了碳粉的堆積，利于碳粉收集。

自冷式滑環冷卻結構的滑環外罩采用了多邊形結構，同時采用了抽出式的風路設計，使風路在滑環室內部不會因存在死角而形成回流，也不會引起碳粉飛揚的現象，保證了良好的排碳效果，避免了由于碳粉堆積對滑環及碳刷造成的影響，提高了滑環運行的可靠性。

試驗表明，自帶離心式風扇的滑環外罩結構其風量比原頂置滑環風機大，而風阻要小，對滑環室的冷卻效果及碳粉收集效果具有明顯的改善，如圖4為采用新結構的電機在正常運行一段時間，單獨拆下滑環外罩后，滑環外罩內碳粉分布情況。

3　結語

通過在某型電機上的試制應用，試驗結果表明：自冷式滑環冷卻風路結構有效改善了滑環室的冷卻效果和積碳現象，改善了滑環裝置的運行環境，避免了滑環室溫升對軸承組的影響，降低了滑環裝置及軸承的故障率，提高了電機的可靠性。

[1]陳世坤.電機學. 北京：機械工業出版社， 2000.

[2]E·維德曼.電機結構. 北京：機械工業出版社， 1976.

[3]徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1991.

Design on Wind Path Structure of Self-Cooled Slip Ring

Yin Hao, Hou Zhuoqin, and Wen Junwei

(CSICElectricalMachineryScience&TechnologyCo.,Ltd.,Taiyuan030027,China)

According to analysis of slip ring chamber structure commonly used in wind power product, and a wind path structure of self-cooled slip ring is introduced as for some problems existing in its running process, structure characteristics and technical advantages are introduced. It is verified that the structure can meet design requirements, improve working environment of the slip ring and carbon brush gear and achieve good effect.

Wind power；doubly-fed induction generator；slip ring chamber；carbon powder collection

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.05

TM303.5

A

1008-7281(2016)04-0015-003

尹浩男1982年生；畢業于中北大學機械設計制造及其自動化專業，現從事電機設計工作.

2016-03-18