MW級直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心疊壓裝置及工藝

時興華

(永濟(jì)新時速電機(jī)公司工藝技術(shù)研究所，山西永濟(jì) 044502)

0 引言

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)機(jī)葉輪直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過全功率變流器，將電壓和頻率變化的三相交流電變成電壓和頻率均恒定的交流電源，向電網(wǎng)輸送功率。永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，可以在較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)，保持較高的功率因數(shù)和效率。同時免去了齒輪箱這一高故障率部件及滑環(huán)裝置，具備低噪聲、長壽命、易維護(hù)，高效率、低電壓穿越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。由于國家對風(fēng)力發(fā)電入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，全功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能較好的滿足電網(wǎng)新的要求。因此，大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也成為風(fēng)電行業(yè)的重要發(fā)展方向，更多的風(fēng)電設(shè)備制造廠商選擇了該項技術(shù)作為未來的主要技術(shù)方向。

永濟(jì)新時速電機(jī)公司制造的一款2.5 MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心直徑4.7 m，重約29 t，鐵心采用扇形沖片直槽結(jié)構(gòu)，是該公司首次生產(chǎn)制造的直徑最大、噸位最大的外疊壓扇形沖片直槽結(jié)構(gòu)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，本文將針對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在定位、疊片、整形、施壓、吊運(yùn)等方面介紹一些新結(jié)構(gòu)、新工藝方法。

1 定子鐵心疊壓裝置新結(jié)構(gòu)及新工藝方案設(shè)計

1.1 定子鐵心結(jié)構(gòu)介紹

定子鐵心是發(fā)電機(jī)定子上的重要部件之一，在很大程度上決定了電機(jī)的性能與質(zhì)量。該直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心以扁筒式定子支架為基體，整個疊壓過程中定子支架作為本體和疊壓基準(zhǔn)。30片扇形片均勻分布組成一層，層與層間二分之一錯層疊裝。沖片通過60件沖片固定鍵固定在定子支架上使之成為一個整體。鐵心疊裝后必須保證鐵心槽尺寸15.6±0.1 mm，散熱孔尺寸 φ28±0.1 mm。疊壓系數(shù)大于 0.97。鐵心在尺寸精度、平整度、密實(shí)度方面均有較高的要求。按照以往的中小電機(jī)定子鐵心疊壓工藝方案及疊壓裝置結(jié)構(gòu)難以滿足該鐵心的疊壓技術(shù)要求，必須研究新的工藝方案及疊壓裝置來保證該鐵心的疊壓需要。

1.2 疊壓工藝方案的確定

根據(jù)該鐵心扁筒式定子支架的特點(diǎn)及要求，克服扁筒狀支架無基準(zhǔn)，易變形，鐵心無大臺面壓裝機(jī)施壓的特點(diǎn)，通過論證分析，確定了合理的疊壓工藝流程:支架落位—疊片—一次人工預(yù)壓—疊片—二次人工預(yù)壓—疊片—三次人工預(yù)壓—調(diào)整鐵心長度—人工終壓—沖片固定鍵緊固—鐵心整形—通槽—檢查交出—打標(biāo)識共14個工序，其中支架落位、沖片固定鍵安裝是關(guān)鍵，疊片、施壓是重點(diǎn)。

1.2.1 定子鐵心疊壓基準(zhǔn)的確定

定子鐵心疊壓基準(zhǔn)的確定包括軸向基準(zhǔn)和徑向基準(zhǔn)兩個方面。定子鐵心以定子支架為基體，根據(jù)扁筒式定子支架自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，非出線端為一個加工平面，扇形片的疊裝應(yīng)該由定子支架非出線端開始。以非出線端端部為基準(zhǔn)，通過設(shè)計的疊壓平臺將非出線端端部基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化以便操作。轉(zhuǎn)化后其既作為疊壓軸向基準(zhǔn)，又起到了支撐沖片的作用。由于扁筒筒式定子支架外徑與定子沖片內(nèi)徑名義尺寸相同，理論上沖片靠緊定子支架外徑后，裝配公差能包容其配件偏差，緊靠定子支架外徑疊片可以滿足疊壓后鐵心外圓的尺寸要求。經(jīng)過技術(shù)分析認(rèn)為只要定子支架不發(fā)生塑性變形，在徑向以定子支架外徑為徑向基準(zhǔn)可以滿足疊壓的需要。

1.2.2 定子鐵心壓裝方式的確定

定子鐵心直徑4.7 m，重約29 t。該公司沒有如此大臺面的壓裝機(jī)，不具備設(shè)備壓裝的能力。通過工裝拉桿人工擰緊實(shí)現(xiàn)對鐵心的施壓。拉桿緊固施壓不需要投入特別的設(shè)備，費(fèi)用少，方便靈活，但壓力均勻度控制難，鐵心保壓下水平度、垂直度難保證。鐵心加壓的力源只有靠剛性疊壓平臺作為壓力支撐件，通過拉桿緊固對鐵心進(jìn)行均勻施壓。根據(jù)以下經(jīng)驗公式的計算將鐵心片間壓力轉(zhuǎn)化為工裝拉桿的力矩，通過定力矩扳手均勻擰緊工裝拉桿定量保證鐵心片間壓力。為了保證疊壓質(zhì)量，壓緊后保壓不小于8 h。在疊片至一定高度時可安排中間預(yù)壓。

鐵心疊壓力可用式(1)表示:

式中:P——鐵心疊壓力;

K1——經(jīng)驗系數(shù)，參考值:2 ～3;

S——扇形沖片凈面積;

Ψ——片間壓力。

疊壓力轉(zhuǎn)化拉桿預(yù)緊力可用式(2)表示:

式中:F——拉桿預(yù)緊力;

K2——經(jīng)驗系數(shù)，參考值:1.0 ～1.4;

P——鐵心疊壓力;

N——拉桿數(shù)量。

拉桿螺紋擰緊力矩可用式(3):

式中:T——拉桿螺紋緊固力矩;

K3——拉桿螺紋擰緊力矩系數(shù)，參考值:0.1 ～0.3;

F——拉桿預(yù)緊力;

D——拉桿螺紋公稱直徑。

1.2.3 定子支架落位

為了不使扁筒式定子支架發(fā)生塑性變形，定子支架加工廠家極力避免定子支架的翻轉(zhuǎn)，在定子支架的加工、中轉(zhuǎn)工序中強(qiáng)制規(guī)定非出線端朝下，嚴(yán)格禁止定子支架的翻轉(zhuǎn)，嚴(yán)格禁止定子支架自身受沖擊力。由于軸向緊固的需要，支架落位時必須精確落位，以便鐵心施壓時緊固拉桿的緊固。如果落位不好就會造成返工。采取導(dǎo)向落位的工藝方法，在支架接近疊壓平臺過程中通過兩件導(dǎo)向柱精確落位。落位精度小于0.4 mm。定子支架落位后效果如圖1所示。

圖1 MW級直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心疊壓裝置示意圖

1.2.4 沖片固定鍵安裝問題的解決

由于扁筒式定子支架直徑大，扁筒式外壁厚度難以保證，誤差高達(dá)6 mm，如根據(jù)國外經(jīng)驗，利用通用國標(biāo)螺栓徑向緊固沖片固定鍵已達(dá)到緊固沖片的目的，但會出現(xiàn)旋入沖片固定鍵的螺紋長度不一致，徑向緊固力不均勻而存在質(zhì)量隱患。采用特制雙頭螺柱代替通用國標(biāo)螺栓，保證沖片固定鍵的旋入螺紋長度一致，另一端用螺母緊固。這樣有效規(guī)避了潛在質(zhì)量隱患。

1.2.5 鐵心槽、散熱孔尺寸的保證

傳統(tǒng)電機(jī)定子鐵心一般采用定位棒定位鐵心槽來保證鐵心沖片相對位置，不對通風(fēng)散熱孔做定位及尺寸要求。但水冷鐵心的散熱孔需安裝導(dǎo)水銅管進(jìn)行散熱，為保證散熱效果，銅管與鐵心散熱孔一般設(shè)計為小間隙配合，通過漲緊設(shè)備將銅管漲緊在鐵心散熱孔中，如果不控制散熱孔尺寸，實(shí)際生產(chǎn)中銅管與散熱孔不是小間隙配合，而是過盈配合，導(dǎo)致銅管插入困難，甚至插不進(jìn)去。采用雙定位方式，通過定位棒分別定位鐵心槽和散熱孔，合理選擇定位棒定位尺寸，避免產(chǎn)生過定位造成干涉現(xiàn)象。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.5 MW高海拔型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心是永濟(jì)新時速電機(jī)公司為國內(nèi)某知名風(fēng)電公司研發(fā)的新項目，其定子鐵心為扇形沖片外疊壓的直槽結(jié)構(gòu)。該定子鐵心疊壓是該電機(jī)定子制造的關(guān)鍵之一。該定子鐵心疊壓采用了上述新疊壓裝置和工藝。

疊壓前將桁架吊至疊壓場地上，調(diào)平;將疊壓平臺落位在桁架上，調(diào)平;然后落位定子支架，落位時利用導(dǎo)向柱精確落位。在定子支架芯筒對應(yīng)位置安裝周向定位機(jī)構(gòu)及斜鍥頂緊機(jī)構(gòu)。

疊片時以疊壓平臺上平面軸向定位，以定子支架外圓徑向定位，以周向定位機(jī)構(gòu)周向定位。單張沖片，二分之一疊放。疊至三分之一鐵心長度時，中間預(yù)壓一次。疊至要求鐵心長度時，在一定壓力下用緊固拉桿將疊壓平臺與上壓板拉緊。

鐵心在疊片過程中應(yīng)按時對鐵心槽型進(jìn)行修整，最后在保壓狀態(tài)下拆除周向定位機(jī)構(gòu)，安裝沖片定位鍵，利用定力矩扳手均勻緊固鐵心，注意先徑向緊固，后軸向緊固。

該新結(jié)構(gòu)疊壓裝置成功完成2.5 MW高海拔型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子鐵心的疊壓，疊壓系數(shù)高達(dá)0.985，槽型不齊度小于0.12。目前該型鐵心已小批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語

面對市場競爭壓力及更嚴(yán)格的入網(wǎng)要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組呈現(xiàn)更大單機(jī)大容量、永磁全功率等特點(diǎn)。MW級直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)定子鐵心的研制成功，將促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的再次快速發(fā)展，同時進(jìn)一步提高該公司風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的業(yè)績和知名度，保持行業(yè)領(lǐng)先水平，為公司拓寬風(fēng)電市場打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:化工工業(yè)出版社，2004.

[2]陳世坤.電機(jī)設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3]張兆強(qiáng).MW級直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué)，2007.