自冷式滑環(huán)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

尹浩，侯卓琴，溫俊偉

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原030027)

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自冷式滑環(huán)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

尹浩，侯卓琴，溫俊偉

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原030027)

主要通過(guò)對(duì)目前風(fēng)電產(chǎn)品所常用滑環(huán)室結(jié)構(gòu)的分析，針對(duì)其在運(yùn)行過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，介紹了一種自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)，闡述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，改善了滑環(huán)及碳刷裝置的工作環(huán)境，并取得良好的效果。

風(fēng)能；雙饋異步發(fā)電機(jī)；滑環(huán)室；碳粉收集

0　引言

風(fēng)能作為一種高效清潔的可再生能源，以其良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益逐漸成為世界各國(guó)發(fā)展能源的戰(zhàn)略重點(diǎn)。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處于起步發(fā)展階段，而雙饋異步發(fā)電機(jī)組以其較高的風(fēng)能利用率和優(yōu)異的性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)成為目前風(fēng)力發(fā)電的主導(dǎo)技術(shù)之一。滑環(huán)作為機(jī)組中雙饋異步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要部件，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系著電機(jī)的質(zhì)量。為保證滑環(huán)的可靠運(yùn)行，滑環(huán)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特別重要。因此，針對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)滑環(huán)的運(yùn)行特點(diǎn)，我公司設(shè)計(jì)了一種自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)。

1　滑環(huán)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1滑環(huán)室功能

滑環(huán)室是滑環(huán)及碳刷安裝和防護(hù)的裝置，它主要包括滑環(huán)外罩的設(shè)計(jì)，風(fēng)路的設(shè)計(jì)和碳粉收集裝置的設(shè)計(jì)。滑環(huán)外罩構(gòu)成了滑環(huán)碳刷安裝的空間，具有一定的防護(hù)和承載作用；風(fēng)路結(jié)構(gòu)保證了滑環(huán)運(yùn)行過(guò)程的冷卻，保證滑環(huán)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(chǎn)生的碳粉，由于碳粉中存在重金屬，如果直接排入大氣中，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，所以必須有碳粉回收裝置。目前滑環(huán)室結(jié)構(gòu)大多采用了IP23的結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)采用的空氣冷卻。

1.2目前的技術(shù)狀態(tài)

滑環(huán)室作為雙饋電機(jī)必備的部件，不論在電機(jī)設(shè)計(jì)還是電機(jī)運(yùn)行中都起著非常關(guān)鍵的作用，在現(xiàn)有的雙饋異步發(fā)電機(jī)中，基本采用了圖1所示的結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，滑環(huán)外罩采用了鋼板焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)滑環(huán)外罩端板直接與端蓋采用止口配合，以保證滑環(huán)室與轉(zhuǎn)軸的同心度，滑環(huán)外罩本體設(shè)計(jì)為四方結(jié)構(gòu)，碳刷刷架安裝桿兩端分別固定在滑環(huán)外罩的隔板和軸承座上；滑環(huán)室的風(fēng)路采用了由上至下的設(shè)計(jì)。

圖1(a)所示的風(fēng)壓源為一個(gè)軸流式的冷卻風(fēng)機(jī)，整個(gè)風(fēng)路由頂部冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)引線、碳刷裝置、滑環(huán)，最后經(jīng)過(guò)碳粉過(guò)濾盒引出滑環(huán)室。

圖1(b)所示的風(fēng)壓源為空冷器的出風(fēng)支路，風(fēng)路也是由滑環(huán)外罩頂部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)引線、碳刷裝置、滑環(huán)，最后經(jīng)過(guò)碳粉過(guò)濾盒引出滑環(huán)室。這種冷卻方式從空冷卻器出風(fēng)端出來(lái)的風(fēng)本身已經(jīng)冷卻過(guò)電機(jī)本體，比環(huán)境溫度要高，對(duì)滑環(huán)室的冷卻效果與圖1相比較差。

通過(guò)風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，上述滑環(huán)室結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，對(duì)電機(jī)運(yùn)行造成一定的影響。

(1)滑環(huán)室與軸承組處于同一空間，滑環(huán)室的溫度直接影響軸承的散熱。

由于雙饋異步發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)，各種部件的風(fēng)路互相影響，電機(jī)運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜。滑環(huán)碳刷裝置和軸承對(duì)環(huán)境的要求不同，若滑環(huán)室和軸承組處于同一空間，當(dāng)滑環(huán)室溫度超過(guò)70℃以上，軸承溫度極可能報(bào)警，但這個(gè)溫度對(duì)滑環(huán)碳刷裝置來(lái)說(shuō)仍能使用，所以在很多采用此種結(jié)構(gòu)的機(jī)組中，當(dāng)滑環(huán)室溫度偏高時(shí)導(dǎo)致了軸承溫升頻繁報(bào)警。

(2)滑環(huán)室風(fēng)路阻力較大，不利于滑環(huán)碳刷裝置的冷卻。

由于軸流風(fēng)機(jī)位于滑環(huán)室頂部，風(fēng)路路徑經(jīng)過(guò)了引線、碳刷裝置和滑環(huán)、碳粉過(guò)濾裝置等，整個(gè)風(fēng)路風(fēng)阻很大，風(fēng)壓逐級(jí)減小，造成通風(fēng)不暢，致使滑環(huán)室溫度較高。

(3)滑環(huán)室排碳效果較差。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的電機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，滑環(huán)室的積碳比較嚴(yán)重，尤其在滑環(huán)室的死角處碳粉堆積明顯，而且在運(yùn)行中由于風(fēng)路不通暢，造成了滑環(huán)室內(nèi)碳粉飛揚(yáng)，極有可能造成滑環(huán)及碳刷裝置故障。

1.3設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鑒于目前滑環(huán)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，同時(shí)針對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種自冷式滑環(huán)室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

此種結(jié)構(gòu)，滑環(huán)外罩端板與端蓋間采用過(guò)渡連接，使得非驅(qū)動(dòng)端軸承與滑環(huán)的工作空間隔離，同樣采用止口配合，以保證滑環(huán)室與轉(zhuǎn)軸的同心度，碳刷刷桿固定在滑環(huán)外罩端板與滑環(huán)外罩壁板之間。滑環(huán)外罩本體設(shè)計(jì)為多邊形結(jié)構(gòu)，并且在滿足防護(hù)要求的前提下，在滑環(huán)外罩的多個(gè)方向都開(kāi)有通風(fēng)窗，如圖3所示。

滑環(huán)室采用自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓源是利用尾部自帶的離心式風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，風(fēng)路路徑由滑環(huán)外罩壁板的內(nèi)圓做導(dǎo)向，沿軸向從前向后(如圖2所示)，對(duì)比前述兩種結(jié)構(gòu)由吹入式變?yōu)槌槌鍪健?/p>

2　改進(jìn)后的技術(shù)特點(diǎn)

(1)優(yōu)化的風(fēng)路結(jié)構(gòu)改善了滑環(huán)室的散熱效果。

自冷式滑環(huán)室結(jié)構(gòu)采用了一個(gè)軸帶的離心式風(fēng)機(jī)，其位于滑環(huán)室的末端，正對(duì)滑環(huán)室的出風(fēng)口，利用電機(jī)轉(zhuǎn)速高和離心式風(fēng)扇風(fēng)壓大的特點(diǎn)，避免了由于碳粉過(guò)濾盒風(fēng)阻大使滑環(huán)室風(fēng)量減小的缺陷，同時(shí)因?yàn)榛h(huán)室存在多個(gè)進(jìn)風(fēng)口，減小了進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻，同時(shí)一定程度避開(kāi)了機(jī)艙內(nèi)某一部件發(fā)熱對(duì)滑環(huán)室造成的影響，從而有效的降低了滑環(huán)室的溫度，提高了滑環(huán)裝置整體運(yùn)行的可靠性。

(2)過(guò)渡式的滑環(huán)外罩連接結(jié)構(gòu)避免了滑環(huán)室溫度對(duì)軸承的影響。

自冷式滑環(huán)室結(jié)構(gòu)采用了與端蓋過(guò)渡式的連接結(jié)構(gòu)，使滑環(huán)室與軸承組在空間上隔開(kāi)，防止了滑環(huán)室溫升對(duì)軸承的影響，同時(shí)面向軸承組的滑環(huán)室端板為滑環(huán)室的進(jìn)風(fēng)口，在一定程度上對(duì)軸承組起到了冷卻的作用。

(3)多邊形的外罩結(jié)構(gòu)減少了碳粉的堆積，利于碳粉收集。

自冷式滑環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)的滑環(huán)外罩采用了多邊形結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了抽出式的風(fēng)路設(shè)計(jì)，使風(fēng)路在滑環(huán)室內(nèi)部不會(huì)因存在死角而形成回流，也不會(huì)引起碳粉飛揚(yáng)的現(xiàn)象，保證了良好的排碳效果，避免了由于碳粉堆積對(duì)滑環(huán)及碳刷造成的影響，提高了滑環(huán)運(yùn)行的可靠性。

試驗(yàn)表明，自帶離心式風(fēng)扇的滑環(huán)外罩結(jié)構(gòu)其風(fēng)量比原頂置滑環(huán)風(fēng)機(jī)大，而風(fēng)阻要小，對(duì)滑環(huán)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(jié)構(gòu)的電機(jī)在正常運(yùn)行一段時(shí)間，單獨(dú)拆下滑環(huán)外罩后，滑環(huán)外罩內(nèi)碳粉分布情況。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在某型電機(jī)上的試制應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明：自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)有效改善了滑環(huán)室的冷卻效果和積碳現(xiàn)象，改善了滑環(huán)裝置的運(yùn)行環(huán)境，避免了滑環(huán)室溫升對(duì)軸承組的影響，降低了滑環(huán)裝置及軸承的故障率，提高了電機(jī)的可靠性。

[1]陳世坤.電機(jī)學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.

[2]E·維德曼.電機(jī)結(jié)構(gòu). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1976.

[3]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(yè)于中北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2016-03-18