大型变频感应鼠笼式风力发电机设计及温度场仿真

覃四珍，刘勇辉，尹曾锋，严世洪

(海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭411101)

0 引言

在能源短缺和环境污染日益严重的今天，风能作为最重要的替代能源之一引起了越来越多的重视，风力发电技术在世界范围内得到了巨大的发展。目前风力发电机机组的主要发电机机型有：双馈风力发电机、同步发电机、永磁直驱发电机、变频鼠笼异步发电机。其中双馈风力发电机占据主导地位，但是随着大功率电力电子设备的发展，全功率变换型风力发电也不断向大功率等级发展。其中鼠笼电机具有重量轻、结构简单、价格低廉、维护方便等优点，使得基于鼠笼异步的全功率风力发电系统受到越来越多的关注。下文以近期开发的3MW鼠笼发电机为例，对其设计过程及温度场进行分析。

1 技术指标要求

3 MW鼠笼式发电机的主要技术指标要求如表1所示。

2 工程设计

设计过程中以双馈风力发电机系列中的 3 MW绕线式双馈异步发电机为参照进行3 MW鼠笼式发电机的方案设计，在设计过程中吸收原有成功经验并针对现有问题进行改进。

2.1 整体设计

发电机机座采用钢板焊接结构，以加强机座的钢性，冷却器布置在发电机顶部，出线盒在发电机侧面，出线均采用填料函引出。发电机为单轴伸，采用二个6338M/C3滚动轴承，轴承绝缘采用绝缘端盖，润滑方式采用脂润滑。

2.2 机座

发电机机座采用整体式钢板焊接结构，由轴向排列的四块厚钢板与径向圆周排列的八块厚钢板焊接而成。

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借鉴 3 MW 双馈风力发电机的机座进行设计，根据后续温度场分析在机座上增加了背部通风，机座上开有通风窗口，与冷却器联接。

2.3 端盖

采用绝缘端盖，并根据风力发电机现场运行经验，增加轴伸端接地刷碳，可更有效的防止轴承发生电腐蚀的现象。

2.4 定子

2.4.1 定子铁心

定子铁心是整圆硅钢片冲制，由扣片、通风槽板和压圈等零部件组成。定子冲片采用50W的W600冷轧硅钢板，冲片冲出16扣片槽，先将冲片全部叠压后扭斜，用扣片拉紧焊牢，叠压时沿轴向分成数个叠片段，段间放置导风片，形成径向通风沟。

2.4.2 定子绕组

定子绕组为双叠绕组，线圈设计计算时发现，如达到要求尺寸，则线圈间隙为 4 mm，相互串联的线圈间连接用并头套，线圈组与导电环间用银铜焊，在爬电距离不够的地方半叠包云母带两层、半叠包玻璃丝带两层。端部则分别采用玻璃丝芯涤纶套管和空心涤纶套管将绕组与固定件和端箍等绑牢，后再经真空整体压力浸漆，使绕组端部具有足够的强度和刚度，汇流排之间有专门的夹板相互隔离。既保证了电气绝缘强度，又满足电机三倍过载状态时的绕组端部受力不至于损坏的要求。

2.5 转子

2.5.1 转子总体结构

转子由转轴、转子铁心、转子导条、转子端环等零部件组成，转轴参照3 MW绕线式双馈异步风力发电机转轴结构进行设计。并根据以前生产制造经验，先对转轴单独去重校动平衡，要求为G1.0，避免转轴不平衡量过大造成转子校动平衡困难。

2.5.2 转子导条

转子短路方式参照我公司以前生产的小功率鼠笼风力发电机的短路方法采用铜端环。该方法安装方便，固定简单。

2.6 轴承结构

轴承结构按我公司3MW双馈风力发电机结构进行设计，原轴承型号为6338/C3,在此次设计时，由于转子重量减小，考虑将轴承型号改为6336/C3。经计算，6336/C3轴承满足使用要求，但6338/C3具有更高的可靠性，考虑到端盖能与3 MW绕线式双馈异步风力发电机通用，将轴承型号定为6338/C3。

3 流场及温度场分析

3.1 风路设计

发电机风路采用空水冷形式。利用闭式循环、双边进风的轴径向通风系统。冷却空气经离心风扇分三路吸入电机内部，一路经气隙，进入定子铁心径向风沟，再进入机壳与铁心的空档出风；另一路通过转子焊筋轴中间通风孔，经转子铁心径向风沟、气隙再进入定子铁心径向通风沟，再经机壳与铁心的空档出风；第三路过定子绕组端部，进入机壳与铁心的空挡出风，这三路风汇合后，经电机机座上面的冷却器冷却，再进入电机内部，形成闭式循环。

3.2 流固耦合仿真边界条件

采用流固耦合计算方法，在Fluent仿真软件平台上对3 MW鼠笼转子异步风力发电机的温度场进行了仿真分析。根据电机定转子结构在圆周方向的周期对称性和轴向对称性，取电机轴向一半，周向1/6作为仿真区域。仿真边界条件设定如下：1)入口空气温度：设定的发电机入口空气温度 45℃。2)入口空气流速：根据发电机总风量（单边风量为 2.5 m3/s）和进口流通面积计算得到为8.48 m/s。

3.3 温度场计算结果

对电机模型进行计算，计算结果如下图所示。

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电机各部分温度场数据见表3。

经温度场计算，在入口空气45℃、三路通风的情况下，电机的最高温度出现在定子绕组上，其最高温度为111.3℃，满足温升考核要求。

4 结语

鼠笼式风力发电机与绕线式双馈风力发电机基本相似，但其对比之下又具有较多优势，例如结构简单、免维护，且不带滑环，降低的电机制造成本并减少了故障点。本文根据我公司在绕线式双馈风力发电机的制造经验，对鼠笼式风力发电机进行方案及工程设计，改进了导致双馈风力发电机运行中易发生故障的结构，并对其温度场计算，计算结果符合电机温升考核要求。

通过样机试制及试验结果来看，鼠笼式风力发电机能达到现有风力发电机主力机型的性能指标，并具有自身的优势，在未来风电发展中，具备较强的市场竞争力。尤其在环境恶劣，难以定期维护的海上，可优先考虑使用免维护的变频鼠笼式风力发电机。

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