直驱永磁风力发电机定子压圈齿压板优化设计*

雷华政， 雷向福， 张 颗， 王步瑶， 刘智勇， 陈河奔

(湘潭电机 海上风力发电技术与检测国家重点实验室,湖南 湘潭 411101)

直驱永磁风力发电机定子压圈齿压板优化设计*

雷华政， 雷向福， 张 颗， 王步瑶， 刘智勇， 陈河奔

(湘潭电机 海上风力发电技术与检测国家重点实验室,湖南 湘潭 411101)

分析了直驱永磁同步风力发电机端部压圈齿压板结构，比较整体式压圈齿压板与分体式压圈齿压板优缺点。应用有限元进行了整体式压圈齿压板与分体式压圈齿压板结构下加强筋的应力与应变计算。计算结果表明两种结构均能满足使用要求，从降低加工成本及加工工艺难度方面考虑，提出了分体式压圈的优化设计建议，供电机设计参考。

直驱永磁风力发电机; 优化设计; 齿压板; 压圈

0 引 言

直驱永磁同步风力发电机采用外压装铁心结构，定子铁心在机座外单独压成，其结构主要由定子冲片、齿压板、压圈及加强筋组成。叠压时以内涨胎定位，用油压机将冲片压紧后再将两端的压圈与加强筋焊好使其成为一个整体。经嵌线、烘干、VPI浸漆、热套定子机座，依靠一定过盈量及定位销，使铁心固定在机座内[1-2]。

在电机中定子齿压板和压圈的主要作用是压紧定子冲片，减少定子铁心叠压后齿部向外张开的现象[3-4]。小型电机的铁心压圈大都采用1～5mm厚钢板冲制而成，其形状为环形，铁心叠压时压住定子磁轭。中、大型电机由于冲片齿较长,需要用齿压板将每个齿压住，再用压圈将齿压板压紧，也有些将压圈齿压板做成整体式结构[5]。直驱永磁风力发电机由于功率大、转速低、发电机直径巨大，整体式压圈齿压板不仅加工量大，而且加工难度大，还需辅助工装夹具控制变形量，生产成本高。

近年来，电机产品原材料价格上涨，风电整机订货价格下降，倒逼企业降本增效。为了节材降成本，需对压圈齿压板进行优化设计，从而达到降低成本目的。本文以XE112 2MW直驱永磁风力发电机压圈齿压板为研究对象，对整体式压圈齿压板和分体式压圈齿压板结构的优缺点进行分析比较，对两种结构下定子铁心加强筋强度进行了有限元计算分析，提出了直驱永磁风力发电机定子压圈齿压板的优化设计建议，供电机设计参考。

1 整体式与分体式压圈齿压板优缺点分析

1.1 整体式压圈齿压板结构

XE105 2MW直驱永磁同步风力发电机转子60极定子324槽，定子铁心端部压板采用齿压板与圧圈为一体的结构，如图1所示。整体式压圈齿压板采用水切割加工方式，定子铁心整体刚度好，但是制造成本较高。

图1 整体式压圈齿压板结构

整体式定子压圈齿压板在加工时，由于压圈尺寸大，齿压板槽数多，累积误差及分度不均匀，导致压指形状不规则，齿压板内圆变形。整体式压圈压指偏移现象如图2所示。因压圈变形及齿加工分度不均，铁心叠压后上下压圈局部槽底槽侧高出铁心冲片槽底槽侧，线圈出槽口处与压圈齿干涉，需要经过校齿、铣齿、打磨等返工处理措施。虽然整体式定子压圈加工量大、工艺实施难度大，局部还需要返工返修，但是整体式压圈刚度好，整体变形量小。通过提高机床设备分度精度，确保压圈齿部分度均匀，以及加强压圈和定子铁心的质量控制，整体式压圈齿压板结构可满足使用要求。

图2 整体式压圈压指偏移现象

1.2 分体式压圈齿压板结构

XE112 2MW直驱永磁同步风力发电机额定转速只有14.5r/min，受变流器对发电机频率的限制，需要提高发电机频率，因此采用84极360槽结构。由于槽数增加，定子冲片齿部变窄，采用整体式压圈齿压板结构将导致加工更加困难，加工费用更高。XE112 2MW直驱永磁同步风力发电机定子圧圈齿压板采用分体式结构。为了制造方便，降低压圈齿压板成本，齿压板整圆由多块扇形片拼装而成，压圈为整圆环结构。分体式压圈齿压板结构如图3所示。

图3 分体式压圈齿压板结构

齿压板扇形片数与定子冲片扇形片数一致。由于分体式齿压板有间隙，可以进行片间调节，所以就可消除整体式压圈齿压板压指与冲片齿不能对齐的现象。分体式压圈由于直径大，外圆开槽(与加强筋进行焊接)，内圆与齿压板槽底留有间隙，压圈呈环形，加工及吊运容易变形，需要工装夹具予以控制。

2 压圈齿压板有限元分析

定子铁心经油压机压紧，定子冲片片间压力为1～2MPa，加强筋对维持定子冲片片间压力起关键作用，对加强筋的强度需要进行验算。建立压圈计算模型如图4所示，压圈的材料为Q235，屈服极限为235MPa。

图4 压圈计算模型

计算结果： 整体式压圈齿压板结构最大变形为0.0797mm；最大应力点为89.2MPa，位于压圈与肋焊接处。整体式压圈齿压板应力应变云图如图5所示。

图5 应力应变云图

整体式压圈齿压板结构与分体式压圈齿压板结构应力应变对比如表1所示。

表1 两种结构应力应变对比

分体式压圈齿压板结构降低了压圈的刚度，变形增大，最大变形为0.139mm，最大应力为101MPa，但可满足要求。

3 分体式压圈齿压板优化设计

压圈外圆开槽的作用是与加强筋进行焊接。由于采用84极、用84极360槽的极槽配合，定子冲片磁轭径向尺寸较小，在压圈外圆开槽降低了压圈整体刚度。虽然采用了八点吊运，压圈轴向径向变形仍较大，在铁心叠压时需要工装夹具对定子压圈进行校正。

压圈优化设计的思路是取消压圈外圆槽，如图6所示，增加分体式压圈刚度，取消辅助工装，降低加工难度，将加强筋焊接在压圈端面。目前该优化设计正在进行实物及工艺验证。

图6 优化后分体式压圈齿压板结构

4 结 语

本文对直驱永磁风力发电机定子压圈齿压板的结构进行了分析，应用有限元进行了整体式压圈齿压板与分体式压圈齿压板结构下加强筋的应力与应变计算，计算结果表明两种结构均能满足使用要求。从降低加工成本及加工工艺难度方面考虑，提出了分体式压圈齿压板的优化结构，为直驱永磁风力发电机降低成本、优化设计提供参考。

[1] 湘潭电机厂.交流电机设计手册[M].长沙： 湖南人民出版社，1978．

[2] 刘刚，汤林欢.圆形冲片定子铁心结构类型及其压装工艺[J].电机技术，2012(6)： 53-56．

[3] 杨昔科，李治.380MW发电机齿压板和压圈机械强度有限元分析[J].电机技术，2012(6)： 57-60．

[4] 郑冠.1300MW级汽轮发电机定子铁心端部强度计算[J].电机技术，2013(4)： 13-15.

[5] 李惊春.风电定子齿压板加工工艺研究[J].机械工程师,2012(4)： 155-156．

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Optimize Design of Stator Finger-Plate and End-Ring for Direct-drive Wind Turbine Permanent Magnet Generator

LEIHuazheng,LEIXiangfu,ZHANGKe,WANGBuyao,LIUZhiyong,CHENHeben

(State Key Laboratory of Off-shore Wind-power Technology and Testing-XEMC，Xiangtan 411101, China)

By researching on the finger-plate and end-ring for direct-drive wind turbine permanent magnet generator, through comparing the advantages and disadvantages of two structure finger-plate and end-ring, use FEA analyzed the deformation and stress of the strengthen rib at different structure finger-plate and end-ring, an optimization design of stator finger-plate and end-ring were presented. The work is of good reference value to direct the permanent magnet generator optimization design.

direct-drive wind turbine PM generator; optimization design; finger-plate; end-ring

海上风电关键技术研究(2010CB736201)

雷华政

TM 315

A

1673-6540(2015)05-0063-03

2014-10-20