风力发电机轴承温升的影响因素

孙方圆

(上海交通大学电子信息与电气工程学院;上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

风电是可再生、无污染的能源，大力发展清洁能源是我国目前的战略选择。目前，风力发电机类型有绕线式双馈异步发电机型、直驱和半直驱同步发电机型等。绕线式双馈异步风力发电机目前在风电市场的占有主导地位。从容量上来看，分为 1.25、1.5、1.7、2、2.3、2.5、3 MW 以及3.6 MW等。从辅助功能来看，有防盐雾型、低温型、高原型等;从冷却方式来看，有空空冷却、空水冷却、水套冷却等。当前，风力发电机轴承温升过高，是市场上风力发电机的一个通病。笔者着重探讨影响绕线式双馈异步风力发电机轴承温升的因素。

1 轴承结构

轴承是风力发电机的关键部件之一。轴承温升过高，会严重影响轴承的寿命，甚至烧坏轴承。风力发电机位于高空运行，机舱内空间狭小，更换轴承是一件十分困难的事情。因此，如何延长或保证轴承的使用寿命，是制造厂和运营商最为关心的事情。目前，市场上多数发电机制造厂使用的轴承型号为6330/C3。风力发电机的轴承安装结构因生产厂家不同而不同。多数厂家采用图1所示结构。下面就图1的轴承安装结构，对影响轴承温升的几个因素进行分析。

图1 轴承安装图

2 影响轴承温升的因素

(1)转子温升对轴承的影响

如图1所示，轴承与轴采用的是公差配合。发电机在运行过程中，电机内部产生了定转子铜耗、铁耗、机械损耗及附加损耗等等各种损耗，使发电机部件温度升高。其中，铜耗和铁耗是影响转子温升的主要因素。

轴的材料为钢，导热能力较强，转子温升也随着轴的导热扩散出去。当热量扩散到轴的轴承档的时候，一部分热量进入了轴承，促使轴承温升有所上升，给轴承的温升带来了一定的影响。

这部分影响无法消除，只能减弱。唯一减弱方法，就是减小转子的温升，以此来减小进入轴承的热量。提取2台电机进行温升试验，电机转速、冷却系统、试验条件等近似相同的条件下，得出试验报告数据如表1所示。

表1 发电机损耗与轴承温度

通过对比2台电机的试验数据可以看出，转子温升高时，轴承的温度高;转子温升低，轴承的温度低。

(2)轴承基本结构对轴承温升的影响

6330/C3的结构如图2所示，图中结构和尺寸来源于某轴承品牌样本。

图2 轴承基本结构图

6330/C3轴承是球面滚子推力轴承，其自动调心能力较强。轴承游隙是轴承的重要特性，是指轴承内圈、轴承外圈与滚动体之间的间隙量，即滚动体在径向或轴向可移动的距离。游隙大小对轴承包括寿命、振动、噪声和温升等有一定的影响。发电机运行过程中，轴承将同时受到轴向负荷和径向负荷。游隙过小可能引起内部负荷过大，产生热量，增加轴承温度;游隙较大时，可降低摩擦力矩，减小内外圈的温差，增加热量的传递，减小轴承的温度。

对于这部分影响的改善方法，可以尝试采用C4的轴承。C4的游隙大于C3游隙，可以减缓因游隙过小而产生的热量。

(3)轴承套对轴承温升的影响

轴承套对轴承温升的影响，主要是指轴承套内径公差对轴承温升的影响。滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，外圈与轴承套的配合采用基轴制。这样的做法是为了让轴承与轴、轴承套之间可以更好的配合。发电机运行时，轴承产生摩擦热量。根据热胀冷缩原理，这些热量产生会导致轴承的膨胀。当轴承套采用紧配合时，轴承膨胀的空间有限，不能够完全的膨胀，导致热量留在轴承里面不能散去，引起温升上升。因此，应增加留给轴承膨胀的空间。但是，轴承内圈是个旋转体，轴承套的一个作用就是固定轴承外圈的垂直方向，防止轴承垂直方向的跳动。因此，轴承套与轴承的配合越紧密越好。这与前面提到的预留轴承热膨胀的空间越大越好恰恰相矛盾。设计时，对轴承套公差的选取是个矛盾的过程。

这部分影响的改善方法，是适当放大轴承套内径的公差，放大轴承膨胀的空间。但是放大要适度，不易过大。

(4)轴承室结构对轴承温升的影响

如图1所示。轴承外面有一个轴承套，前后各有一个轴承内盖和轴承外盖。轴承内盖、轴承外盖与轴承套是止口配合的。这三个部件与轴围成了一个空间，里面便是轴承。这部分的影响主要是分析轴向的轴承内盖和轴承外盖之间留给轴承的间隙对轴承温升的影响。轴承内盖止口到轴承外盖止口之间的距离与轴承宽度之间的大小因发电机制造厂家不同而不同。这个空间对轴承的影响与第(3)点因素的影响大体相同。轴承有热量时，不但在垂直方向要膨胀，同样在轴向也要膨胀。这个几毫米的空间就是用来给轴承热胀冷缩的空间。如果留有的空间有限，就会导致热量不能随膨胀消散，留在轴承上引起温升的上升。因此留的空间越大越好。同样，轴承内盖、轴承外盖的作用是固定轴承轴向位置，用来防止轴向串动的。因此，他们与轴承的配合越紧密作用越明显。与前面所说的预留热膨胀空间同样也是相矛盾的。设计时，对预留空间的选取同样也是个矛盾的过程。

这部分影响的改善方法，是适当的放大轴承内盖止口和轴承外盖止口之间的距离，即增大留给轴承热膨胀的空间。但是，放大要适度，不易过大。

(5)轴承散热结构对轴承温升的影响

为了减少轴承的温升，很多发电机制造厂家都为轴承设计了散热结构。如图所示:

图3 轴承散热片图

根据牛顿散热定律，

q——热流密度;

α——散热系数;

Δτ——温差。

空气作为冷却介质时，可近似认为散热系数公式为:

α0——发热表面在平静空气中的散热系数;

ν——空气吹拂表面的速度;

k——气流吹拂效率的系数。

可以看出在相同条件下，流速增加时，散热系数增加，温升小。

根据热流密度定义，

Q——单位时间内通过等温面的总热量，即热流量;

A——等温面的面积。

可以看出在相同条件下，等温面增加时，热流密度减小，温升小。

以图1和图3为例。

图1结构的散热原理源于牛顿散热定律。根据式(5-1)和式(5-2)，通过空气流动，增加轴承表面的散热系数，带走轴承内盖散发的热量，降低轴承与周围空气的温差。这种结构的缺点在于，发电机轴承外盖散发的热量通过自然散热方法来解决，散热效率低;内部流经轴承的空气大多为从转子带走热量的空气，温度较高，能带走轴承表面的热量有限。设计时，应尽可能将冷空气流经散热表面带走热量，提高空气流动速度。

与图1的结构相比，图3的结构是在端盖上增加了散热筋，加大了端盖的散热面积。根据式(5-3)得出，增加散热筋的端盖的散热效果将明显提高，提高了轴承外盖的散热效率。理想的散热片是应直接安放在散热体上，但是轴承结构的原因，可以安放散热片且距离轴承最近的部件就是端盖。这种结构的缺点在于，增加了端盖的重量以及加工难度;同时，轴承的热量扩散到端盖是有一定的距离的，达到散热效果需要一定的延时，且散热效率低。

(6)轴承油脂对轴承温升的影响

轴承油脂对轴承温升影响取决于许多因素——油脂的类型、油脂用量、轴承结构等等。

风力发电机进行油脂的类型选择时，使用环境是考虑的一个重要因素。相对其他类型电机来说，风力发电机常安装于沙漠、高山、海边等风量较大的地带，使用环境比较恶劣。环境温度最低达到-40℃以下，最高可达到+55℃以上。目前市场上风力发电机所用的油脂有克鲁勃、壳牌等几个品牌的不同型号。选择油脂类型时需谨慎选择。

油脂类型选定后，油脂的用量对轴承温升的影响是十分明显的。油脂的用量过大，会增大润滑剂的阻力，引起轴承的温升上升。就滚动轴承而言，润滑脂填充量一般不超过内部空间的2/3左右。当然，油脂也不易过少。油脂用量过少，会引起滚动体摩擦损耗增大，引起发热，严重者损坏轴承。

此外，润滑脂不能使用过长时间，应按时更换。风力发电机位于高空运行，更换油脂不方便。因此，多数制造厂家采用安装自动注油泵的方法，自动注油。

3 结语

轴承温升是发电机考核的一个指标，对于双馈式绕线发电机市场上普遍以90℃设为报警温度，95℃设为关断温度。可见，轴承的温升是需要严格控制的。以上提到的几点因素是笔者自身总结出来的，希望可以找到更好的解决轴承温升的方法，更有效的提高风力发电机的质量。