大功率同步风力发电机的结构设计

李 娟

（山西汾西重工有限责任公司，山西 太原 030027）

0 概述

风电是开发绿色能源的一种形式，近年来我国风电行业发展迅速，目前2MW及其以下的陆用风力发电机机组技术已经逐渐成熟，生产已经逐渐具备规模，各风电总装厂已经陆续向海上风电发展，但由于该技术仍处于研发阶段，为保证海上风电的顺利发展，同时也为了适应国家的风电发展政策，一些厂家以近海为基地，发展间于海上和陆地之间的海边风电，逐步向海上过渡，而3MW风电机组因当前国内整体配套能力的提高，已经成为风电发展的新趋势。

1 主要技术参数

额定功率 3.3MW

额定功率因数 1.0

速度范围 500 rpm～1250 rpm

频率范围 33.3 Hz～83 Hz

额定转速 1000 rpm

额定频率 66.7 Hz

额定电压 733V

额定电流 2×1300A

绝缘等级 F/H

冷却方式 空水冷却

2 设计说明

2.1 原理概述

该三相无刷同步发电机由主发电机、励磁机、旋转整流器等主要部分组成，主发电机转子、励磁机转子、旋转整流器都装在同一轴上一起旋转，主发电机为转极式，交流励磁机为转枢式。励磁机磁极固定在定子端盖内侧。励磁机的励磁由励磁系统提供。当发电机被拖动旋转时，励磁系统给励磁机定子输入电流，励磁机转子输出三相交流电经旋转整流器整流后输入主发电机转子绕组，主发电机的输出电压，经励磁系统取样分析比较后，自动调节交流励磁机的励磁电流直到主发电机的电压达到设定值。励磁系统由用户配置。

本发电机原理结构如图1所示。

图1 发电机原理结构框图

2.2 产品结构介绍

本发电机结构主要由主机、励磁机、机座、端盖组、冷却器、旋转整流器等组成。主机转子、励磁机转子、旋转整流器同轴安装，主机定子铁芯热套于机座中，励磁机位于非驱动端，旋转整流模块位于励磁机转子和主机转子中间，并在机座上与其相对应的位置留有检修孔，方便旋转整流模块的检修安装。编码器装在轴BS端部。

3 结构设计

3.1 机座结构设计

机座设计重点考虑了机座的刚度、强度、通风结构、出线布置及与水冷却器的安装方式等方面的影响因素。电机机座采用Q235钢板和钢管焊接的长方体结构，机座两端有25mm端板，中间在AS侧和BS侧分别设有隔板组，隔板组支撑定子铁心。纵向有钢管支撑在两隔板之间；箱体两侧由8mm的左右壁板围起。

在对机座的强度和刚度进行了简化计算的基础上，综合考虑了对风路的影响，保证通风结构的可行性。另外在中间隔板上设计了定位台阶以实现定子铁心轴向的可靠定位，兼顾了定子铁心和机座配合连接的可靠性问题，经计算，即使在电机短路的情况下仍能满足连接紧固的要求。（机座结构见图2）

图2 机座结构

3.2 定子铁芯

定子铁芯是用0.5mm厚的50W470冷轧硅钢片叠压而成。铁心共分为14段，每段长51，每段之间有1道宽10mm的轴向通风道，通风道间焊有足够数量的通风片。

定子铁芯两端分别固定有定子端板和定子压板，在两个定子压板间与铁芯的外表面焊接12根筋，每个筋截面为63×20，两筋最小间距195。定子铁芯焊接完成后加工两压板外圆止口，与机座配合。（定子铁芯结构见图3）

图3 定子铁芯结构

3.3 轴承组

该发电机的轴承布置采用驱动端固定，非驱动端浮动的结构型式。驱动端轴承由圆柱滚子轴承NU1040和深沟球轴承6040构成。非驱动端轴承为圆柱滚子轴承NU1040。径向载荷主要由驱动端和非驱动端的圆柱滚子轴承承担，而深沟球轴承在径向方向处于浮动，只承担轴向载荷，这样可充分发挥圆柱滚子轴承径向承载能力大的优点，同时通过球轴承实现转子轴向可靠定位。

在AS轴承组中，内、外轴承盖均采用弹簧结构将轴承轴向预紧，它是利用弹簧使轴承承受一定的轴向载荷并产生预变形。（轴承组结构见图4）

图4 轴承组结构

3.4 转子设计

主发电机转子、励磁机转子、旋转整流器同轴连接，主发电机转子热套于轴铁芯档处、励磁机转子与轴采用键连接，励磁机转子铁芯用铆钉轴向铆紧，两端均布置了压环，旋转整流器均匀布置于主机转子和励磁机转子间的轴上。

主机转子的AS、BS两端均装有异型护环，异型护环上都装有平衡环，可以根据实际动平衡需要在平衡环圆周布置平衡块。

3.5 定子引线设计

该电机为8极6相，轭部较小，从AS端引线，定子端部焊连接片，定子入壳后，通过电缆引至主出线盒导电铜排上，为提高电缆的稳定性，在机座上焊有一支架，支架上固定有绝缘板，电缆从定子端部引出先经过该绝缘板，再用螺栓固定在导电铜排上，导电铜排固定在厚16的绝缘板上，导电铜排为分层阶梯式设计。（定子引线结构见图5）

图5 定子引线结构

3.6 通风结构设计

此发电机的通风结构采用的是两对称的风路并联结构，每一风路所需的风量为总风量的一半。在每一风路结构中包含一离心风机。离心风机与电机转子径向风道片联合运行，主要通过强迫式离心风机提供所需风压，从而实现电机本体内空气的循环流动，并最终实现将电机内部的损耗通过水冷却器带出，以满足发电机运行的要求。本电机风路结构主要借鉴了2MW高原电机和试验站用2.8MW电动机的通风结构，并根据本电机的实际结构布置，确定主机转子通风设计采用12个轴向通风孔加14个径向通风道，主机定子铁芯上亦设计14个径向通风口，转子铁芯内部通过一没有通风孔的冲片将风路一分为二。考虑到绕组端部的冷却问题，设计时将外风路冷却风机向内侧偏移，使得一部分风吹到绕组端部。（通风结构见图6）

图6 通风结构示意图

4 结束语

通过上述分析可以看出，电机设计中充分贯彻了通用性、可靠性、经济性原则，对关键技术进行了大量的分析计算，总体设计布局科学、结构合理，各种分析计算确实可行，可以保证发电机各项性能指标，今后我们将跟踪产品的使用状况，听取用户的意见，及时改进，使该产品的技术性能得到进一步的提高。