感應加熱器在永磁直驅風力發(fā)電機軸承加熱中的應用

張蓉

（東方電氣集團東方電機有限公司 四川德陽 618000）

1 引言

隨著國家能源戰(zhàn)略政策的調整，風力發(fā)電作為清潔能源和可再生能源越來越受到國家的重視，風力發(fā)電設備制造業(yè)蓬勃發(fā)展。為了占領風電市場，東方電氣集團東方電機有限公司先后自主研發(fā)并制造了多種機型的風力發(fā)電機產(chǎn)品，其中永磁直驅同步風力發(fā)電機即第三代風力發(fā)電技術，因其具有較好的可靠性及穩(wěn)定性已成為目前的主流機型。

軸承作為永磁直驅風力發(fā)電機的核心部件，其直徑較大，均在1500mm以上，與轉軸之間的裝配過盈量約1mm，多采用加熱軸承的方式進行裝配。軸承加熱的方式和過程控制優(yōu)劣直接影響軸承的性能質量，進而影響發(fā)電機的運行性能。感應加熱器應用于軸承加熱，安全可靠、可操作性強、潔凈度高，不但保證了軸承本體質量性能不受裝配過程的影響，而且還大大提高了軸承裝配的效率。

2 感應加熱的原理和特點

感應加熱是利用電磁感應的使被加熱的材料內部產(chǎn)生電流，依靠渦流的能量達到加熱的目的。在加熱的過程中，迅速變化的電流流過金屬工件時產(chǎn)生集膚效應，在金屬表層產(chǎn)生很高的熱源，再利用受熱工件自身作為熱源進行熱傳遞。

根據(jù)感應加熱的特點：在熱傳遞的過程中，如果升溫速度過快，就會在厚大工件的不同區(qū)域產(chǎn)生一定的溫度梯度，高溫區(qū)產(chǎn)生較大的拉伸應力而收到低溫區(qū)的限制，由此產(chǎn)生一定的溫度應力，當溫度應力達到材料的屈服點時，工件會產(chǎn)生永久的塑性變形[1]。

3 感應加熱設備的選擇和參數(shù)設置

選擇的中頻感應加熱器型號為ATECFR-80/380T-B15F，恒溫控制模式，其主要調節(jié)參數(shù)為：升溫速率、溫度最大值、恒溫PID比例系數(shù)、恒溫PID積分時間、恒溫PID微分時間、預置PID積分以及超溫差設定等。根據(jù)感應加熱的原理說明，在使用感應加熱器加熱軸承前，需對感應加熱器的各項參數(shù)功能充分了解，否則使用感應加熱的方式加熱軸承，可能會對軸承的尺寸精度造成影響，存在較大的安全隱患，必須尋找一個溫度和時間相對線性的升溫速率，控制合理的始溫-終溫時間。

3.1 軸承外圈加熱參數(shù)設置

經(jīng)過多次參數(shù)設置測試，軸承外圈加熱參數(shù)按表1進行設置，滿足軸承外圈加熱要求。

表1 外圈加熱參數(shù)

在軸承外圈上布置的6點測溫傳感器反饋溫度值，每10min采集一次，得到軸承外圈升溫速率，如圖1所示。

根據(jù)升溫速率曲線可知：最大溫差4℃；升溫速度較均勻，100℃之前升溫速率基本呈現(xiàn)線形；超過設定保溫溫度僅0.8℃。

因此，加熱時間1h，升溫速率基本呈線形，保溫時最高溫度未大幅度超過設定溫度，可滿足軸承外圈加熱的需要。

3.2 軸承內圈加熱參數(shù)設置

經(jīng)過軸承外圈參數(shù)設置測試，軸承內圈加熱參數(shù)按表2進行設置，滿足軸承內圈加熱要求。

圖1 軸承外圈升溫速率曲線

表2 內圈加熱參數(shù)

同樣，在軸承內圈上布置的6點測溫傳感器反饋溫度值，每10min采集一次，得到軸承內圈升溫速率，如圖2所示。

圖2 軸承內圈升溫速率曲線

根據(jù)升溫速率曲線可知：最大溫差4.5℃；升溫速度較均勻，100℃之前升溫速率基本呈現(xiàn)線形；超過設定保溫溫度僅0.6℃。

因此，加熱時間1h，升溫速率基本呈線形，保溫時最高溫度未大幅度超過設定溫度，可滿足軸承內圈加熱的需要[2]。

4 現(xiàn)場應用情況

使用感應加熱器加熱軸承時，按照表1和表2內、外圈參數(shù)，分別設置軸承內外圈感應加熱器。首先，開啟外圈加熱器電源將軸承外圈加熱至110℃。軸承外圈在110℃下保溫30min后，繼續(xù)在110℃溫度下進行保溫，開啟軸承內圈加熱器電源，開始對軸承內圈進行加熱至110℃，保溫60min。

在加熱的過程中，使用PT100鉑熱電阻對測溫點附近測溫，校核感應加熱器的反饋溫度值。

軸承加熱后，水平起吊軸承，測量軸承內徑4點尺寸，要求測量得到的內徑尺寸≥軸承名義尺寸+1.5mm，根據(jù)表3實測數(shù)據(jù)可知，軸承加熱后內徑尺寸滿足軸承熱套要求。

表3 軸承內徑實測值（單位：mm）

5 結束語

綜上所述，得出以下討論：

（1）根據(jù)軸承尺寸規(guī)格的不同，中頻加熱電源在恒溫模式下可通過調節(jié)升溫速率、溫度最大值、恒溫PID比例系數(shù)、恒溫PID積分時間、預置PID積分以及超溫差設定可將加熱速率調整至接近線形的狀態(tài)。

（2）在加熱軸承時，需先對軸承外圈進行加熱，待外圈升溫至預設溫度，保溫至少0.5h后，再對內圈進行加熱，避免軸承內、外圈的膨脹速率不同對軸承造成損傷。

（3）在軸承內外圈加熱過程中需由專業(yè)操作人員對軸承升溫、保溫等過程進行嚴格的監(jiān)控，確保加熱過程受控，避免突發(fā)事故對軸承造成損傷。

（4）通過對軸承加熱電源及控制模式的選取、加熱參數(shù)的設置進行詳細的總結并應用于實際生產(chǎn)中的軸承加熱，使軸承裝配速率大大提高，同時保證了軸承的潔凈度和軸承的質量，為永磁直驅風力發(fā)電機的批量化生產(chǎn)打下堅實的基礎。