浅谈直驱永磁风力发电机组叶轮的日常检修

杨乐+王忠辉+唐伟雄

摘 要：直驱永磁风力发电机因结构简单、可靠性高、发电效益高、电网接入性能优异等特点越来越受到市场的青睐。根据直驱永磁风力发电机组的故障特点，从叶轮的主要部件，例如叶片、滑环、变桨系统等几个方面讲述叶轮日常的检修项目。

关键词：直驱永磁风力发电机组；叶轮；叶片；滑环；变桨系统

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）02-0030-02

1 概述

近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业，其相关技术发展得很快。从失速型到变速恒频风电系统，从有齿轮箱到直驱型风电系统，我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长，总装机容量已跃至世界第一。伴随着装机容量的增加，对机组的检修变得日益重要。风力发电机组长期工作在野外，处于暴晒和雷雨等恶劣的环境中，其损坏率相对比较高，而且风力发电机组的叶轮是整个机组中结构和功能最为复杂的部件，并在工作过程中时刻受外界风力影响且处于运动状态。机组在实际运行过程中，大部分的故障都出自于叶轮。所以，对机组叶轮的日常检修，将直接影响整台风机的可利用率。在风电场，日常检修越来越受到人们的重视。

本文将介绍直驱永磁风力发电机组叶轮的主要结构，并根据叶轮结构特点对几个重要部位的日常检修进行详细叙述。

2 叶轮组成部分和轮毂结构示意图

叶轮是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能，叶轮转动是由风作用在叶片上产生的升力导致的。叶轮总成由三组叶片和一个球形轮毂组成。轮毂是一个紧凑的球墨铸铁结构，从变桨系统的角度来看，轮毂就是支撑整个变桨系统的元件。轮毂总成主要由轮毂体、整流罩、轮毂控制柜、滑环系统、变桨电机、齿轮箱、变桨轴承、油脂润滑系统、电池柜、避雷装置等组成（如图1所示）。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。

3 直驱永磁发电机组叶轮日常检修的主要项目

3.1 叶片维护

叶片主材为玻璃纤维增强环氧树脂或者玻璃纤维增强聚酯制成的多格的梁/壳体结构。每个叶片内均有防雷电系统（如图2所示），其包括一个位于叶尖的金属接闪器，一根铜电缆沿着前缘侧筋板根部向法兰区铺设且连接到轮毂内的避雷线上。靠近叶片根部叶片内有雷击记录卡。

图1 直驱永磁发电机组轮毂结构示意图 图2 叶片防雷系统示意图

叶片的日常检修事项主要有以下几项。

3.1.1 检查叶片连接螺栓力矩和避雷线

检查叶片连接螺栓力矩和避雷线连接是否符合设计要求。

3.1.2 检查叶片外观清洁度

检查叶片外观是否清洁，一般的污染物可在雨季来临时被雨水清除。若发现叶片上有较大污染物，而此时也是非雨季时，可以考虑用洗衣粉水或肥皂水去除污染。

3.1.3 叶片表面涂层检查

叶片表面涂层的检查维护工作每3个月进行一次，如发现涂层脱落或前缘表面上有砂眼甚至彻底穿透涂层时，需记录机组编号、叶片编号和破损位置，且还要进行拍照记录，并联系叶片制造商，请专业人员维护，落实涂层的修复工作。

3.1.4 检查叶片有无裂纹、断层

检查叶片是否有裂纹和断层，正常情况下，此项维护工作每3个月进行一次。检查人员可站在机舱天窗爬梯延展平台上或地面塔筒外，用专用望远镜沿着叶片的边缘进行观察，查找是否存在裂纹，表面发现裂纹的需详细记录机组编号、叶片编号和裂纹位置、长度。如果可能的话，最好做出标记，同时需停机并及时通知叶片制造商。

3.1.5 检查避雷系统

检查避雷系统，目测碳刷是否因磨损达到碳刷最大刻线处，如果有，则立即更换。检查外侧绝缘衬套和内侧绝缘衬套是否出现大裂纹而导致导电杆无法正常紧固，如果有，则立即更换。虽然机组装配了防雷电系统，但为安全起见，需定期检查叶片是否被雷电损坏。雷电损坏的标志如下：①叶片表面有灼烧的黑色痕迹，从远处看起来像油脂或油污点；②出现暴露的边缘或尖角；③叶片壳体出现纵向裂纹甚至表层撕裂；④雷电接闪器被击穿、灼烧，出现黑色痕迹；⑤叶片黏结处开裂，壳体出现断层；⑥叶片后缘、叶尖爆裂；⑦当叶轮缓慢旋转时，叶片内部异常噪声很大。叶片被雷电损坏后必须停机，并联系叶片制造商。

3.1.6 检查异常噪声

检查异常噪声，此项维护工作应在机组的运行中进行日常检查，发现异常噪声，立刻进行进一步的检查和修复。叶片发出异常噪声的可能原因有以下几种：①叶片表面出现严重磨损，前缘出现大的砂眼；②叶片内部黏结部位，胶黏剂掉落在叶片内部未清除；③叶片遭雷击造成壳体结构受损；④其余故障。

3.2 变桨控制系统维护

变桨控制系统包括三个主要部件，即变桨电机、齿轮箱和变桨轴承。通过变桨控制柜控制系统将叶片以精细的角度进行变桨，实现风机的功率控制。变桨控制系统的日常维护主要包括以下几个部分。

3.2.1 变桨电机维护

3.2.1.1 旋转方向检查

操作风机控制软件进行手动变桨，测试变桨方向是否与屏幕操作一致，保证变桨电机准确变桨。

3.2.1.2 对地电阻检查

如果电机长期不工作，则必须要检查绕组线圈的电阻。在测量电阻前，断开所有的连接。电阻的测量通常用500 V摇表进行测量，测量时绕组应该保持清洁。电机的对地阻值应大于等于2 MΩ。如果测试值小于2 MΩ，一般是由受潮引起的，必须要通过热空气烘干。

3.2.1.3 换向器的维护

在正常的运行条件下，换向器并不需要特别的维护。如果其运行表面变得粗糙，可以用一个中等硬度的轻石或磨料橡胶石在电机运行中进行清理（小心避免意外）。在理想的条件下，换向器应该是明亮、黑色抛光（铜绿色）的。出现以下情况时，需要对换向器进行维护：①换向器由于电弧而造成轻微损伤；②换向器的接触面形成非常薄的碳层时；③由于换向器被弄脏，在旋转方向上形成条纹时。

3.2.1.4 碳刷维护

碳刷需要经常进行检查。如果其长度小于10 mm 时，需要更换碳刷，而且必须使用和原来相同规格的碳刷。

3.2.1.5 轴承维护

运行超过20 000 h时，轴承必须进行更换。

3.2.1.6 编码器维护

进行编码器维护时，需检查编码器的支脚是否松动或者开裂，检查电机运行中编码器的振动情况。如果编码器连接安全，则要检查编码器电缆是否连接好。

3.2.1.7 清洁变桨电机

变桨电机必须经常进行彻底检查，确保清洁。操作时，使用空气压缩机和干燥刷子清理积累的灰尘。清理的地方包括定子、电枢绕组和接线盒。

3.2.1.8 制动器维护

经检查，如果制动器气隙超过说明书允许范围，则可以通过三个调节螺母进行调节。调节完制动器之后，务必确保编码器支架与电机轴对准。经检查，如果制动片厚度超出说明书允许范围，刹车片总厚度小于7.5 mm（铝基体加黑色摩擦片原厚度为10 mm），制动片就必须进行更换。在更换制动片之前，必须要拆卸编码器和编码器支架。重新安装后，必须要重新仔细检查编码器和编码器支架的安装，如果编码器支架未能对准电机轴承，可能会造成编码器和轴承的过度磨损。

3.2.2 齿轮箱的维护

检查内容包括表面污渍和防腐情况。还要查看齿轮箱运转时是否有异常噪声，齿轮箱的密封性是否良好，齿轮箱油位是否正常。一般3～5年更换1次齿轮油，每2年采集一两台风机齿轮油到油品厂家进行化验。

3.2.3 变桨轴承的维护

检查内容有：齿面是否有非正常的磨损、点蚀、断齿、裂纹或腐蚀，齿面是否有润滑脂，轴承密封件是否损坏，运转时是否有异常噪声。检查变桨小齿轮与轴承内齿圈的啮合侧隙，当侧隙大于0.95 mm时，需进行调整。

3.3 滑环维护

滑环主要用于机舱到轮毂的供电与通讯信号的连接。滑环安装于轮毂中，滑环外壳连接到固定部分。在滑环的运行过程中，需要进行有效的维护，以保证滑环的稳定性和可靠性。其日常维护事项有以下几项。

3.3.1 滑环碳刷的维护

戴上口罩和防护眼镜，每隔1年检查1次。这里要注意的是，把防护盖上的炭粉用塑料袋装起来，以免污染环境。另外，还要检查滑环本体固定是否牢固，检查电缆有无磨损现象，检查接地线连接是否可靠，检查滑环供电回路的碳刷有没有明显的损坏或侧磨，检查碳刷长度：如果供电回路碳刷的长度≥15 mm，则无需更换；如果碳刷的长度<15 mm，则需更换供电回路的碳刷。检查滑环信号回路的碳刷是否有明显的损坏：如果信号回路的碳刷长度≥5 mm，则无需更换；如果碳刷的长度<5 mm，则需更换信号回路的碳刷。

3.3.2 滑环编码器的维护

每隔2年检查紧固滑环里的编码器。如果编码器损坏，建议返厂维修，并更换编码器，修理完成后，按滑环出厂试验要求完成所有测试并提供试验报告。

3.3.3 轮毂油脂系统和其他日常维护

轮毂油脂系统和其他的日常维护工作主要包括：①检查油脂泵有无破损，是否能正常工作。②检查油脂泵油位，如果油位过低，则用注油装置连接到润滑泵底部的注油孔，给泵注油，直至达到“最大”标志处。③检查油脂分配器功能是否完好，管路有无破损和漏油脂现象。④目测轮毂铸件是否有裂纹；检查铸件表面涂层是否完好，如有剥落，应按涂敷要求及时补上。⑤检查轮毂内有无异物掉落，如存在异响，应及时检查异响来自何处，并仔细检查轮毂内部。⑥检查轮毂超速传感器与滑环齿面间隙是否大于0.5 mm，信号是否正常。⑦检查限位开关是否有松动，其灵敏度、可靠性和安全性是否满足要求。⑧检查控制柜、电池柜和轮毂电气，目测观察或用手触摸整个柜体，查看是否有松动现象，其内部元器件的固定是否牢靠，接线是否有松动；目测检查柜内是否干净或有无遗留碎片，如有，则清理干净，保证柜体的清洁度，特别是过滤网。⑨用万用表检查电池组单元电压是否大于288 V，如果不满足，则更换电池。⑩检查所有连接电缆和辅件是否破损或松动，如有，则拧紧和更换。

4 结束语

本文根据直驱永磁风力发电机组叶轮的结构特点和在风电场的实际运行经验，重点从叶片、滑环、变桨系统等几个主要的故障频发部件介绍了日常维护的事项。在风电场实际的管理过程中，可以合理地安排检修计划，从而减少直驱永磁风力发电机组的故障率，提高机组的发电量。

参考文献

[1]任清晨.风力发电机组安装运行与维护[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]周昆鹏.直驱型同步风力发电机组故障诊断系统的研究和设计[D].长沙：中南大学，2010.

————————

作者简介：杨乐（1984—），男，湖南华容人，本科，助理工程师，研究方向为新能源设备；王忠辉（1971—），男，湖北鄂州人，本科，工程师，研究方向为新能源设备；唐伟雄（1983—），男，湖南邵阳人，专科，助理工程师，研究方向为新能源设备。

〔编辑：曹月〕

On the Direct-drive Permanent Magnet Wind Turbine Impeller Daily Maintenance

Yang Le， Wang Zhonghui， Tang Weixiong

Abstract： The direct-drive permanent magnet wind turbine due to simple structure， high reliability， high power efficiency， excellent performance characteristics grid access increasingly favored by the market. According to the characteristics of permanent magnet direct-drive wind turbine failure from the main part of the impeller， such as aspects of blades， slip ring， pitch impeller system tells the daily maintenance projects.

Key words： direct drive permanent magnet wind turbine； impeller； blade； slip ring； pitch system

3.2.1.4 碳刷维护

碳刷需要经常进行检查。如果其长度小于10 mm 时，需要更换碳刷，而且必须使用和原来相同规格的碳刷。

3.2.1.5 轴承维护

运行超过20 000 h时，轴承必须进行更换。

3.2.1.6 编码器维护

进行编码器维护时，需检查编码器的支脚是否松动或者开裂，检查电机运行中编码器的振动情况。如果编码器连接安全，则要检查编码器电缆是否连接好。

3.2.1.7 清洁变桨电机

变桨电机必须经常进行彻底检查，确保清洁。操作时，使用空气压缩机和干燥刷子清理积累的灰尘。清理的地方包括定子、电枢绕组和接线盒。

3.2.1.8 制动器维护

经检查，如果制动器气隙超过说明书允许范围，则可以通过三个调节螺母进行调节。调节完制动器之后，务必确保编码器支架与电机轴对准。经检查，如果制动片厚度超出说明书允许范围，刹车片总厚度小于7.5 mm（铝基体加黑色摩擦片原厚度为10 mm），制动片就必须进行更换。在更换制动片之前，必须要拆卸编码器和编码器支架。重新安装后，必须要重新仔细检查编码器和编码器支架的安装，如果编码器支架未能对准电机轴承，可能会造成编码器和轴承的过度磨损。

3.2.2 齿轮箱的维护

检查内容包括表面污渍和防腐情况。还要查看齿轮箱运转时是否有异常噪声，齿轮箱的密封性是否良好，齿轮箱油位是否正常。一般3～5年更换1次齿轮油，每2年采集一两台风机齿轮油到油品厂家进行化验。

3.2.3 变桨轴承的维护

检查内容有：齿面是否有非正常的磨损、点蚀、断齿、裂纹或腐蚀，齿面是否有润滑脂，轴承密封件是否损坏，运转时是否有异常噪声。检查变桨小齿轮与轴承内齿圈的啮合侧隙，当侧隙大于0.95 mm时，需进行调整。

3.3 滑环维护

滑环主要用于机舱到轮毂的供电与通讯信号的连接。滑环安装于轮毂中，滑环外壳连接到固定部分。在滑环的运行过程中，需要进行有效的维护，以保证滑环的稳定性和可靠性。其日常维护事项有以下几项。

3.3.1 滑环碳刷的维护

戴上口罩和防护眼镜，每隔1年检查1次。这里要注意的是，把防护盖上的炭粉用塑料袋装起来，以免污染环境。另外，还要检查滑环本体固定是否牢固，检查电缆有无磨损现象，检查接地线连接是否可靠，检查滑环供电回路的碳刷有没有明显的损坏或侧磨，检查碳刷长度：如果供电回路碳刷的长度≥15 mm，则无需更换；如果碳刷的长度<15 mm，则需更换供电回路的碳刷。检查滑环信号回路的碳刷是否有明显的损坏：如果信号回路的碳刷长度≥5 mm，则无需更换；如果碳刷的长度<5 mm，则需更换信号回路的碳刷。

3.3.2 滑环编码器的维护

每隔2年检查紧固滑环里的编码器。如果编码器损坏，建议返厂维修，并更换编码器，修理完成后，按滑环出厂试验要求完成所有测试并提供试验报告。

3.3.3 轮毂油脂系统和其他日常维护

轮毂油脂系统和其他的日常维护工作主要包括：①检查油脂泵有无破损，是否能正常工作。②检查油脂泵油位，如果油位过低，则用注油装置连接到润滑泵底部的注油孔，给泵注油，直至达到“最大”标志处。③检查油脂分配器功能是否完好，管路有无破损和漏油脂现象。④目测轮毂铸件是否有裂纹；检查铸件表面涂层是否完好，如有剥落，应按涂敷要求及时补上。⑤检查轮毂内有无异物掉落，如存在异响，应及时检查异响来自何处，并仔细检查轮毂内部。⑥检查轮毂超速传感器与滑环齿面间隙是否大于0.5 mm，信号是否正常。⑦检查限位开关是否有松动，其灵敏度、可靠性和安全性是否满足要求。⑧检查控制柜、电池柜和轮毂电气，目测观察或用手触摸整个柜体，查看是否有松动现象，其内部元器件的固定是否牢靠，接线是否有松动；目测检查柜内是否干净或有无遗留碎片，如有，则清理干净，保证柜体的清洁度，特别是过滤网。⑨用万用表检查电池组单元电压是否大于288 V，如果不满足，则更换电池。⑩检查所有连接电缆和辅件是否破损或松动，如有，则拧紧和更换。

4 结束语

本文根据直驱永磁风力发电机组叶轮的结构特点和在风电场的实际运行经验，重点从叶片、滑环、变桨系统等几个主要的故障频发部件介绍了日常维护的事项。在风电场实际的管理过程中，可以合理地安排检修计划，从而减少直驱永磁风力发电机组的故障率，提高机组的发电量。

参考文献

[1]任清晨.风力发电机组安装运行与维护[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]周昆鹏.直驱型同步风力发电机组故障诊断系统的研究和设计[D].长沙：中南大学，2010.

————————

作者简介：杨乐（1984—），男，湖南华容人，本科，助理工程师，研究方向为新能源设备；王忠辉（1971—），男，湖北鄂州人，本科，工程师，研究方向为新能源设备；唐伟雄（1983—），男，湖南邵阳人，专科，助理工程师，研究方向为新能源设备。

〔编辑：曹月〕

On the Direct-drive Permanent Magnet Wind Turbine Impeller Daily Maintenance

Yang Le， Wang Zhonghui， Tang Weixiong

Abstract： The direct-drive permanent magnet wind turbine due to simple structure， high reliability， high power efficiency， excellent performance characteristics grid access increasingly favored by the market. According to the characteristics of permanent magnet direct-drive wind turbine failure from the main part of the impeller， such as aspects of blades， slip ring， pitch impeller system tells the daily maintenance projects.

Key words： direct drive permanent magnet wind turbine； impeller； blade； slip ring； pitch system

3.2.1.4 碳刷维护

碳刷需要经常进行检查。如果其长度小于10 mm 时，需要更换碳刷，而且必须使用和原来相同规格的碳刷。

3.2.1.5 轴承维护

运行超过20 000 h时，轴承必须进行更换。

3.2.1.6 编码器维护

进行编码器维护时，需检查编码器的支脚是否松动或者开裂，检查电机运行中编码器的振动情况。如果编码器连接安全，则要检查编码器电缆是否连接好。

3.2.1.7 清洁变桨电机

变桨电机必须经常进行彻底检查，确保清洁。操作时，使用空气压缩机和干燥刷子清理积累的灰尘。清理的地方包括定子、电枢绕组和接线盒。

3.2.1.8 制动器维护

经检查，如果制动器气隙超过说明书允许范围，则可以通过三个调节螺母进行调节。调节完制动器之后，务必确保编码器支架与电机轴对准。经检查，如果制动片厚度超出说明书允许范围，刹车片总厚度小于7.5 mm（铝基体加黑色摩擦片原厚度为10 mm），制动片就必须进行更换。在更换制动片之前，必须要拆卸编码器和编码器支架。重新安装后，必须要重新仔细检查编码器和编码器支架的安装，如果编码器支架未能对准电机轴承，可能会造成编码器和轴承的过度磨损。

3.2.2 齿轮箱的维护

检查内容包括表面污渍和防腐情况。还要查看齿轮箱运转时是否有异常噪声，齿轮箱的密封性是否良好，齿轮箱油位是否正常。一般3～5年更换1次齿轮油，每2年采集一两台风机齿轮油到油品厂家进行化验。

3.2.3 变桨轴承的维护

检查内容有：齿面是否有非正常的磨损、点蚀、断齿、裂纹或腐蚀，齿面是否有润滑脂，轴承密封件是否损坏，运转时是否有异常噪声。检查变桨小齿轮与轴承内齿圈的啮合侧隙，当侧隙大于0.95 mm时，需进行调整。

3.3 滑环维护

滑环主要用于机舱到轮毂的供电与通讯信号的连接。滑环安装于轮毂中，滑环外壳连接到固定部分。在滑环的运行过程中，需要进行有效的维护，以保证滑环的稳定性和可靠性。其日常维护事项有以下几项。

3.3.1 滑环碳刷的维护

戴上口罩和防护眼镜，每隔1年检查1次。这里要注意的是，把防护盖上的炭粉用塑料袋装起来，以免污染环境。另外，还要检查滑环本体固定是否牢固，检查电缆有无磨损现象，检查接地线连接是否可靠，检查滑环供电回路的碳刷有没有明显的损坏或侧磨，检查碳刷长度：如果供电回路碳刷的长度≥15 mm，则无需更换；如果碳刷的长度<15 mm，则需更换供电回路的碳刷。检查滑环信号回路的碳刷是否有明显的损坏：如果信号回路的碳刷长度≥5 mm，则无需更换；如果碳刷的长度<5 mm，则需更换信号回路的碳刷。

3.3.2 滑环编码器的维护

每隔2年检查紧固滑环里的编码器。如果编码器损坏，建议返厂维修，并更换编码器，修理完成后，按滑环出厂试验要求完成所有测试并提供试验报告。

3.3.3 轮毂油脂系统和其他日常维护

轮毂油脂系统和其他的日常维护工作主要包括：①检查油脂泵有无破损，是否能正常工作。②检查油脂泵油位，如果油位过低，则用注油装置连接到润滑泵底部的注油孔，给泵注油，直至达到“最大”标志处。③检查油脂分配器功能是否完好，管路有无破损和漏油脂现象。④目测轮毂铸件是否有裂纹；检查铸件表面涂层是否完好，如有剥落，应按涂敷要求及时补上。⑤检查轮毂内有无异物掉落，如存在异响，应及时检查异响来自何处，并仔细检查轮毂内部。⑥检查轮毂超速传感器与滑环齿面间隙是否大于0.5 mm，信号是否正常。⑦检查限位开关是否有松动，其灵敏度、可靠性和安全性是否满足要求。⑧检查控制柜、电池柜和轮毂电气，目测观察或用手触摸整个柜体，查看是否有松动现象，其内部元器件的固定是否牢靠，接线是否有松动；目测检查柜内是否干净或有无遗留碎片，如有，则清理干净，保证柜体的清洁度，特别是过滤网。⑨用万用表检查电池组单元电压是否大于288 V，如果不满足，则更换电池。⑩检查所有连接电缆和辅件是否破损或松动，如有，则拧紧和更换。

4 结束语

本文根据直驱永磁风力发电机组叶轮的结构特点和在风电场的实际运行经验，重点从叶片、滑环、变桨系统等几个主要的故障频发部件介绍了日常维护的事项。在风电场实际的管理过程中，可以合理地安排检修计划，从而减少直驱永磁风力发电机组的故障率，提高机组的发电量。

参考文献

[1]任清晨.风力发电机组安装运行与维护[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]周昆鹏.直驱型同步风力发电机组故障诊断系统的研究和设计[D].长沙：中南大学，2010.

————————

作者简介：杨乐（1984—），男，湖南华容人，本科，助理工程师，研究方向为新能源设备；王忠辉（1971—），男，湖北鄂州人，本科，工程师，研究方向为新能源设备；唐伟雄（1983—），男，湖南邵阳人，专科，助理工程师，研究方向为新能源设备。

〔编辑：曹月〕

On the Direct-drive Permanent Magnet Wind Turbine Impeller Daily Maintenance

Yang Le， Wang Zhonghui， Tang Weixiong

Abstract： The direct-drive permanent magnet wind turbine due to simple structure， high reliability， high power efficiency， excellent performance characteristics grid access increasingly favored by the market. According to the characteristics of permanent magnet direct-drive wind turbine failure from the main part of the impeller， such as aspects of blades， slip ring， pitch impeller system tells the daily maintenance projects.

Key words： direct drive permanent magnet wind turbine； impeller； blade； slip ring； pitch system