分瓣技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用與研究

李延慧,張世福,李斐斐,汪文濤

(北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司,北京 100176)

0 引 言

近年來,風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源受到越來越多的關(guān)注[1]。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)和籠型異步發(fā)電機(jī)等幾種類型。永磁發(fā)電機(jī)因功率密度較高、效率可達(dá)98%以上、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn),是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)最具前景的解決方案之一[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用直驅(qū)永磁技術(shù)越來越普遍,國內(nèi)外的市場占有率不斷提高。2005年4月新疆達(dá)坂城安裝了金風(fēng)科技設(shè)計(jì)的1.2 MW直驅(qū)永磁機(jī)組,并順利并網(wǎng),直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)開始在國內(nèi)市場推廣使用[2]。2007年11月、2010年10月湘電風(fēng)能分別研制的2 MW、5 MW直驅(qū)永磁機(jī)組成功下線。2019年9月,金風(fēng)科技成功下線了8 MW機(jī)組,并完成測試,國內(nèi)海上機(jī)組采用了成熟的直驅(qū)永磁技術(shù)。同年,東方電氣也在福建成功下線10 MW直驅(qū)永磁機(jī)組。2019年11月,GE的12 MW的直驅(qū)機(jī)組樣機(jī)在荷蘭完成安裝。2020年5月,Siemens Gamesa推出了14 MW直驅(qū)永磁機(jī)組,樣機(jī)在2021年完成了安裝[2]。

金風(fēng)科技從德國Vensys引進(jìn)了直驅(qū)永磁技術(shù),在此基礎(chǔ)上依托國內(nèi)資源率先對(duì)該技術(shù)展開研究,獨(dú)立自主開發(fā)了多款不同功率的直驅(qū)永磁機(jī)組,并在陸上、海上規(guī)模化推廣應(yīng)用。直驅(qū)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、低維護(hù)成本和運(yùn)行可靠的特點(diǎn)[3]。目前,GE、Siemens Gamesa等國際巨頭,在大功率機(jī)型開發(fā)的技術(shù)路線選擇方面,均選擇了更加可靠的直驅(qū)永磁機(jī)組。隨著機(jī)組單機(jī)容量的增大,國外機(jī)組整機(jī)廠商在直驅(qū)永磁機(jī)組上嘗試并進(jìn)行了分瓣電機(jī)的開發(fā)及樣機(jī)驗(yàn)證,芬蘭Mervento、Switch、Wind-direct和Enercon分別推出了技術(shù)驗(yàn)證樣機(jī),如圖1所示。

圖1 直驅(qū)永磁機(jī)組分瓣電機(jī)開發(fā)

1 分瓣技術(shù)應(yīng)用背景

在陸上直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中,受限于運(yùn)輸收費(fèi)站限制(運(yùn)輸寬度限制5 m,個(gè)別地區(qū)可以到5.5 m),超過5.5 m后大部分收費(fèi)站無法通行,國道、省道通行困難。隨著直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加,我國風(fēng)資源的豐富,特別是在Ⅲ類、Ⅳ類低風(fēng)速區(qū)的機(jī)組開發(fā)應(yīng)用中,對(duì)發(fā)電機(jī)低速特性提出了更高要求。直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的成本在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(機(jī)頭)成本占比約為30%到40%,在風(fēng)火同價(jià)的市場競爭下,要求單位kW機(jī)組的造價(jià)越來越低。根據(jù)電機(jī)的主要尺寸關(guān)系式,增加發(fā)電機(jī)的直徑,可以減少電機(jī)軸向長度和有效降低發(fā)電機(jī)單位功率成本,提高發(fā)電機(jī)的競爭力,但同時(shí)帶來一些難題,如大型結(jié)構(gòu)件、定轉(zhuǎn)子加工資源緊張、運(yùn)輸超限,特別是組裝后的發(fā)電機(jī)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場更加困難。對(duì)于大功率電機(jī)運(yùn)輸困難的問題,分瓣設(shè)計(jì)技術(shù)提供了一種可行、有效的解決方案。

2 分瓣電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

分瓣技術(shù)的應(yīng)用繼承了直驅(qū)發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),突破陸地運(yùn)輸限制,拓展了陸上大功率直驅(qū)永磁機(jī)型的發(fā)展空間,為陸上機(jī)組的大型化鋪平了道路。分瓣電機(jī)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)是在擴(kuò)大發(fā)電機(jī)直徑的情況下,維持機(jī)組成本不增加,發(fā)電機(jī)效率不降低,機(jī)組的發(fā)電量收益不降低;同時(shí)降低定子浸漆設(shè)備需求,可自動(dòng)化生產(chǎn);維修便利,降低維修成本。

2.1 不同繞組定子分瓣技術(shù)對(duì)比

中車株洲電機(jī)有限公司李華對(duì)全分瓣式繞組形式分瓣方法進(jìn)行了分析[4]。西安中車永濟(jì)捷力風(fēng)能有限公司次元平等人對(duì)比分析了不同極槽配合下空槽對(duì)電機(jī)的電磁性能影響[5]。

目前,直驅(qū)永磁分瓣電機(jī)中繞組的結(jié)構(gòu)布置大概有三種形式。一種是采用單層繞組結(jié)構(gòu),線圈間跨距大于1,一般取跨距為3,采用這種布置方式的電機(jī)線圈端部較長,同時(shí)線圈端部需要采用特殊繞制工藝,成型難度大,采用這種繞組布置的廠家有Siemens Gamesa;另一種是采用雙層集中繞組結(jié)構(gòu),線圈間跨距等于1,繞組成型工藝無法做到電磁線線圈在鐵心出槽口附近光滑過渡,一定程度上影響到線圈的絕緣性能,降低電機(jī)絕緣性能,采用這種繞組布置的廠家有美國的GE,如圖2所示;還有一種是采用雙層繞組布置,線圈間跨距等于6,分瓣處采用空槽結(jié)構(gòu),在發(fā)電機(jī)的合縫部位取消線圈,這樣就解決了現(xiàn)場不具備合縫處線圈安裝、浸漆、烘焙等條件下分瓣電機(jī)的安裝。

圖2 GE機(jī)組發(fā)電機(jī)的集中繞組結(jié)構(gòu)

集中繞組分瓣方式靈活,可以提供不同瓣數(shù)選擇,并且分瓣處不需要空槽,線圈利用率高。分布繞組分瓣時(shí),整數(shù)槽可以提供靈活的瓣數(shù)選擇,但需要空槽,每個(gè)接縫處,對(duì)于6相電機(jī),需要去掉6個(gè)線圈。集中繞組的分瓣位置在槽底,拼接時(shí),線圈有被接觸的風(fēng)險(xiǎn),而分布繞組在定子齒處分瓣,不存在線圈接觸風(fēng)險(xiǎn)。

在電磁方案方面,集中繞組端部短,但漏磁略大,散熱能力差,諧波大;分布繞組電機(jī)散熱能力好,諧波含量低。以電機(jī)繞組溫度相同作為比較前提時(shí),集中繞組鐵心長,線圈端部短,分布繞組鐵心短,線圈端部長,兩者的電磁方案在成本上無明顯差別。

以目前的工藝水平進(jìn)行比較,集中繞組電機(jī)轉(zhuǎn)子有沖片,定子齒采用單齒單疊,增加了生產(chǎn)工時(shí),線圈目前的繞制成品率較低。分布繞組電機(jī)在生產(chǎn)工藝方面繼承前期產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),無新的工藝需求引入,生產(chǎn)技術(shù)成熟度高。如表1所示。

表1 不同繞組方式技術(shù)變化對(duì)比

2.2 轉(zhuǎn)子分瓣

轉(zhuǎn)子分瓣方式靈活,可以根據(jù)不同極槽配合及定子分瓣數(shù)進(jìn)行瓣數(shù)選擇,一般無特殊或尺寸上的限制,盡量減少機(jī)加工切削量及零部件數(shù)量,這樣可以減少不必要的成本,一般推薦轉(zhuǎn)子采用1/2分瓣。

采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)子剛度都比較弱,容易變形,磁極可采用整體磁極技術(shù),實(shí)現(xiàn)模塊化,簡化裝配和拼裝工序,預(yù)防轉(zhuǎn)子變形。整體磁極設(shè)計(jì)成可拆可裝結(jié)構(gòu),增加發(fā)電機(jī)裝配、拆分的靈活性。

為降低分瓣電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)帶來的振動(dòng),磁極應(yīng)考慮采用“人”型斜極,降低或消除軸向推力帶來的軸向振動(dòng)。

2.3 裝配及運(yùn)輸

分瓣發(fā)電機(jī)鐵心、繞組制造的工藝及過程要盡量保持與現(xiàn)有直驅(qū)發(fā)電機(jī)基本一致,繼承成熟度比較高的制造工藝、制造設(shè)備。結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)中規(guī)避及簡化載荷影響敏感的工序,發(fā)電機(jī)可采用整體分瓣技術(shù),即轉(zhuǎn)子、定子都分瓣,分瓣轉(zhuǎn)子和定子集成為獨(dú)立的分瓣單元,發(fā)電機(jī)其他部件及附件也能獨(dú)立的布置在分瓣單元上,這樣設(shè)計(jì)可以大大減少運(yùn)輸和現(xiàn)場拼裝工作量。

2.4 防變形系統(tǒng)

對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)及分瓣單元進(jìn)行分析,根據(jù)載荷及變形情況,有針對(duì)性進(jìn)行預(yù)防,將變形控制在合理的范圍內(nèi)。根據(jù)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度,控制措施直接施加到最直接的部位,根據(jù)傳統(tǒng)直驅(qū)發(fā)電機(jī)的經(jīng)驗(yàn),防變形功能及安裝接口充分考慮共用設(shè)計(jì)。防變形預(yù)防措施的重點(diǎn)是防止氣隙之間的磁鋼吸合,變形控制在合理的范圍之內(nèi),另一方面是分瓣單元在安裝或拆分時(shí)預(yù)防吸合載荷對(duì)操作過程的緩沖和安全問題。

3 分瓣電機(jī)技術(shù)方案

3.1 電機(jī)參數(shù)

為突破陸地運(yùn)輸限制,拓展了直驅(qū)永磁機(jī)型的發(fā)展空間,選定一款4.5 MW的陸上機(jī)型來進(jìn)行方案設(shè)計(jì),發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)要求如表2所示。

表2 4.5 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 電磁仿真計(jì)算

經(jīng)仿真計(jì)算,分瓣處的磁密波形畸變微小,徑向切向電磁力與不分瓣相當(dāng);分瓣處的切向電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以控制在與不分瓣相當(dāng)?shù)乃?通過斜極優(yōu)化,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在1%以內(nèi)。評(píng)估各相關(guān)參數(shù),可知分瓣電機(jī)與傳統(tǒng)不分瓣電機(jī)與機(jī)組要求相匹配。不分瓣與分瓣發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)及載荷如表3、表4所示。磁密波形畸變對(duì)比如圖3所示,斜極后的轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。

表3 不分瓣與分瓣發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 不分瓣與分瓣發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)載荷數(shù)據(jù)

圖3 磁密波形畸變對(duì)比

圖4 斜極后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

3.3 冷卻設(shè)計(jì)

冷卻方式采用徑向強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。分瓣電機(jī)可以將冷卻風(fēng)機(jī)集成到發(fā)電機(jī)定子支架上,均分在分瓣單元上,這樣電機(jī)冷卻路徑更短,散熱效果更好,同時(shí)也能簡化工藝。如圖5、圖6所示。

圖5 電機(jī)內(nèi)部冷卻風(fēng)路

圖6 冷卻風(fēng)機(jī)布置

熱仿真計(jì)算結(jié)果如圖7、表5所示。分瓣電機(jī)的繞組最高溫度為100 ℃,磁鋼最高溫度為58.8 ℃,滿足直驅(qū)發(fā)電機(jī)F級(jí)絕緣使用要求,方案可行。

表5 分瓣電機(jī)熱仿真結(jié)果

表6 模態(tài)仿真結(jié)果

圖7 分瓣電機(jī)熱仿真結(jié)果

3.4 工藝路線

為了解決電機(jī)運(yùn)輸問題,將大型直驅(qū)電機(jī)分瓣生產(chǎn),運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目現(xiàn)場后再進(jìn)行裝配是一種可行的方案。對(duì)分瓣電機(jī)定轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)件、定轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)套裝、現(xiàn)場吊裝全制造、運(yùn)輸工藝過程進(jìn)行詳細(xì)工藝技術(shù)路線分析,從圖8～圖10具體實(shí)施工藝案來看,分瓣電機(jī)的制造和運(yùn)輸可行,已有的國內(nèi)制造資源可滿足要求。

圖8 結(jié)構(gòu)件及工裝制造工藝及運(yùn)輸方案

圖9 電機(jī)套裝測試工藝方案

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用上述介紹的分瓣方案,如圖11所示,以工藝最簡、成本最低、可靠性最高為目的進(jìn)行方案構(gòu)建,并多輪迭代仿真,開展了分瓣電機(jī)單元的變形仿真分析,如圖12所示,塔下發(fā)電機(jī)模塊存儲(chǔ)、拼裝過程變形值可以控制到:總體1.41 mm,徑向0.26 mm,軸向0.58 mm,這樣的變形量不會(huì)影響發(fā)電機(jī)的最終裝配和發(fā)電機(jī)氣隙。模態(tài)仿真及結(jié)果如圖13和表4所示。為了避免發(fā)電機(jī)的低階振動(dòng),分瓣電機(jī)可以把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到滿足要求的頻率界線上,根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度仿真計(jì)算,如圖14所示,轉(zhuǎn)子極限應(yīng)力55 MPa,定子極限應(yīng)力583 MPa,小面積屈服出現(xiàn)在橫梁處,根據(jù)Neuber彈塑性修正,塑性應(yīng)變?yōu)?.53%,分瓣電機(jī)強(qiáng)度滿足使用要求。

圖11 分瓣電機(jī)方案

圖12 分瓣單元變形仿真

圖13 模態(tài)仿真計(jì)算

圖14 強(qiáng)度仿真計(jì)算

對(duì)分瓣電機(jī)質(zhì)量和成本進(jìn)行評(píng)估,采用分瓣技術(shù)的發(fā)電機(jī)質(zhì)量和成本是可以接近或超過不分瓣電機(jī)的質(zhì)量和成本。同時(shí),整個(gè)電機(jī)的加工精度、裝配套裝難度、偏心水平、氣隙尺寸等均能達(dá)到或超過傳統(tǒng)不分瓣發(fā)電機(jī)。如表7所示。

表7 質(zhì)量及成本評(píng)估

4 結(jié) 語

為解決陸上直驅(qū)永磁機(jī)組的大型化問題,系統(tǒng)闡述了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子的分瓣形式,以4.5 MW直驅(qū)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例,從電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行詳細(xì)研究論證,可以得出以下結(jié)論:

1)分瓣技術(shù)在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)上應(yīng)用具有可行性,相關(guān)技術(shù)研究對(duì)于陸上大容量機(jī)組具有推廣價(jià)值;

2)依靠國內(nèi)現(xiàn)有制造資源和設(shè)備,采用分瓣技術(shù)后無需較大變更或者技術(shù)改造,可以進(jìn)行分瓣電機(jī)生產(chǎn)制造;

3)分瓣技術(shù)引入是有條件做到質(zhì)量、成本不增加或增加有限。