永磁直驅風力發電機轉子永磁體的裝配技術

熊英英 謝檢生

摘 要

永磁直驅風力發電機采用永磁體進行勵磁，永磁體是電機中的關鍵部件，由于轉子高速旋轉，永磁體易于脫落受損。永磁體的裝配技術涉及模塊化、固定結構、散熱、耐腐蝕四方面。

關鍵詞

直驅;風力發電;永磁體;裝配;模塊化;散熱;腐蝕

中圖分類號： TM315? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.045

風力發電與傳統發電方式相比較，具有清潔無污染的、可再生、獲取方便、經濟性高、功率密度大等優勢，在眾多可再生能源開發中具有十分重要的地位。近年來也得到我國政府的大力重視和支持。在我國，僅2019年全國風電項目有350余個，新增裝機量超4萬MW。

風力發電機主要的結構形式有：雙饋式、直驅式和半直驅式。其中直驅式風力發電機由于取消了齒輪箱，使風力機直接與發電機相連，有效地避免了由于齒輪箱磨損帶來的故障，傳動效率高，可靠性高，維護成本低，工作壽命長，近年來得到了快速的發展和應用，也是風力發電領域的研究熱點。

永磁直驅發電機包括轉子和定子，轉子和定子同軸設置。轉子包括磁軛，以及多個沿周向間隔設置在磁軛的表面上的永磁體。由于轉子永磁體的強磁性，且定子上具有金屬構件，例如鐵芯，因而當進行電機裝配時，轉子的永磁體與定子會相互吸引，使得轉子與定子之間容易出現局部的碰撞和吸附，導致轉子和定子的損壞，另一方面由于轉子高速旋轉，永磁體易于脫落受損。因此，轉子永磁體的裝配技術直接制約永磁直驅發電機的發展與應用，裝配技術主要涉及以下三方面。

1 模塊化

風力發電機的外轉子通常通過轉子罩進行支撐，制造這樣外轉子的復雜性和成本隨著轉子的外形的增大而增加，且整體式轉子，需要更換具有缺陷的永磁體時，維護也更加困難，因此采用模塊化制造永磁轉子。

轉子永磁體被固定到磁極模塊中，磁極模塊被固定到轉子軛的表面，磁極模塊具有載體板，永磁體設置在轉子罩中，永磁體安裝在載體板上，多個載體板首尾相連形成環形。轉子罩通常選用不銹鋼之類的非磁性材料制成。轉子罩采用螺栓擰緊或鉚釘方式。磁極通常粘接到轉子罩內。

磁極模塊的組裝可以采用直排方式或者相對于軸向方向傾斜地排布方式。直排的方式的安裝方式是：轉子軛的表面具有軸向的緊固軌道，轉子軛被布置成由軸承相對于轉子支撐后，緊固軌道在軸向方向上滑動到轉子軛部的表面上的對應位置。該緊固軌道可以具有T形橫截面，磁極模塊具有與T形橫截面相配合而壓靠在緊固軌道部分，與轉子軛相連接。進一步，也可以通過螺栓或者螺紋桿固定，使其本體部徑向延伸到緊固軌道，使磁極模塊與緊固軌道緊密相連。

但是，為了減少齒槽轉矩和/或電壓諧波，需要采用磁極模塊相對于軸向方向傾斜地排布。磁極模塊至少徑向分為三組，每組為多個磁極模塊在轉子軛表面周向排布。因此，該永磁極模塊在軸向上連續，并且在軸向上處于不同的位置，形成偏離軸向方向傾斜地排布結構。緊固軌道與轉子軛的連接方式可以與直排方式相同的連接。不同之處在于，通過改變永磁體在磁極模塊載體板的位置，即后一組的磁極模塊的永磁體相對前一組的永磁體在載體板上沿著橫向偏移規定距離。采用上述方式，磁極模塊也可以容易地被布置成“V”形或“W”形或者更多彎折的形狀。

2 固定結構

直驅式永磁體風力發電機的永磁體在轉子上的安裝方式，有插入式和表面式兩種安裝方式。

插入式永磁體的安裝相對于表面式安裝式更容易。插入式永磁轉子的轉子軛部具有供永磁體插入的空隙。永磁體軸向插入到空隙中。轉子的每個極具有兩個永磁體槽用以放置兩塊/兩組永磁體，橫向一字型或者“V”字形。永磁體端部通常設置有空隙。每組永磁體由多個永磁體沿槽的長度方向疊放在一起，進一步降低成本。

表面安裝式的轉子永磁體固定結構的改進主要集中在以下方面：

壓條/壓塊：通過壓條將轉子罩固定到轉子軛。壓條可以是雙邊的，固定相鄰的轉子罩，那么每個壓條具有兩個溝槽，溝槽對應與轉子罩的沖壓的鉤形邊緣，二者卡扣固定在一起，溝槽設置在用于緊固的螺栓的兩側。通過這種方式，每個壓條執行兩個不同轉子罩的緊固。這種方式采用的壓條成本較高，生產工藝復雜。為了降低成本，也可以將壓條替換成壓塊，同時也可以降低轉子的總質量。

載體板配合：載體板的結構以及多個載體板的配合方式的不同對永磁體裝配要求以及制造成本帶來不同的影響。載體板采用兩種互補的弧形拼塊載體板，拼塊兩端具有連接部，連接部由一對相鄰的互補臺階部通過螺栓連接在一起，每個弧形拼塊通過在每個弧形拼塊內形成燕尾槽來保持永磁體。這種互相配合的臺階部相比于傳統的燕尾槽形制造成本更低。為了進一步降低裝配難度，提出了一種載體板是由相同形狀的弧形拼塊載體板，在弧形拼塊載體板的兩端分別具有異形部，可以形成一個或多個臺階，多個弧形拼塊載體板可通過兩端臺階形的臺階部互相配合，異形部也可以采用T形槽、燕尾槽、斜面鋸齒槽、曲面鋸齒槽等對應的形狀，只要是兩端的異形部可以彼此形成配合。再使緊固件穿過其中一個弧形拼塊載體板即可將其固定，大大降低了裝配難度以及制造成本。

3 散熱

永磁體的磁場與電機內的溫度密切相關，溫度過高有發生不可逆失磁的風險，直接影響發電機運行的穩定性，對于稀土合金永磁體的大型發電機，降低磁體的溫度可以進一步減低磁體的成本。據此，在永磁體裝配過程中仍需進一步考慮它的散熱。

正如前面所提到的，永磁體是安裝在轉子罩內的，通過轉子罩對永磁體表面進行支撐和限位。因而，為了在保持永磁體的同時改善永磁體的散熱，將轉子罩與永磁體的之間設置有空隙，從而在磁體的頂部表面上形成的空氣流動空間，另一方面，通過在轉子罩上形成有凹部，或者脊等其他類似可以彈性變形以提供用于將永磁體保持在轉子罩內的保持力的結構，凹部，或者脊與永磁體線性接觸，二者采用過盈配合方式配合。該空隙的形式是結合凹部的結構所形成的，可以形成兩個或者更多個的空隙部，空隙部之間通過凹部或者脊與永磁體的線性接觸隔開，單個空隙可以更進一步的提高冷卻效果。

另一方面，還可以在轉子罩上提供反射性高的外表面，減少定子的磁通穿過轉子罩的表面，從而形成一個輻射屏障，減少轉子罩與永磁體的溫度升高。通過采用光滑或拋光的表面，在面向氣隙的轉子罩的表面不噴涂材料或者陽極氧化的方式，或者采用非金屬材料的轉子罩來提供反射性高的外表面。

4 耐腐蝕

海上風力發電機的環境條件較為惡劣，例如潮濕和腐蝕，對永磁體的使用壽命帶來了新的挑戰，進而對永磁體的裝配提出了新的要求。

通常可以采用轉子罩將永磁體固定在磁軛的表面，在永磁體與轉子罩和磁軛表面的空腔內填充密封料，例如環氧樹脂、漆、塑料或硅酮，密封料可以采用角焊縫形式施加，角焊縫的形式可以為平坦角焊縫、拱形焊縫或空心角焊縫。

更進一步的是為永磁體提供迷宮式的密封結構。具體地，永磁體的外表面設置有防護層，該防護層不僅覆蓋永磁體的磁極面，還覆蓋為了限位永磁體的定位凸臺的側面。定位凸臺采用多個凸臺間隔規定距離，在凸臺之間形成有凹槽，構成了凹凸間隔連續的結構。通過對防護層進行延長至該定位凸臺遠離永磁體的一側的外表面，增加了迷宮式的密封結構的復雜程度，保證了防護層更加緊密地貼靠在永磁體的外表面，對永磁體進行了更加全面的保護。為了更進一步地提高永磁體的防護能力，可以適當增加該凸臺與其之間凹槽的數量。

針對風力發電機的應用場合和需求采用合適的裝配技術對保障風力發電機的運行穩定具有十分突出的作用。隨著技術的發展，永磁直驅風力發電機的結構已經日趨成熟。永磁體是永磁直驅風力發電機的關鍵部件，提高永磁體的性能，永磁性受高溫不可逆退磁、降低永磁體的制造、維護成本等問題，對進一步發展永磁直驅風力發電機至關重要，也是進一步研究的方向。

參考文獻

[1]賈大江.永磁直驅風力發電機組的設計與技術[M].北京：中國電力出版社，2012.10：52-100.