自冷式滑环风路结构的设计

尹浩，侯卓琴，温俊伟

(中船重工电机科技股份有限公司，山西太原030027)



自冷式滑环风路结构的设计

尹浩，侯卓琴，温俊伟

(中船重工电机科技股份有限公司，山西太原030027)

主要通过对目前风电产品所常用滑环室结构的分析，针对其在运行过程中存在的一些问题，介绍了一种自冷式滑环冷却风路结构，阐述了其结构特点和技术优势，并通过试验验证了其完全可以满足设计要求，改善了滑环及碳刷装置的工作环境，并取得良好的效果。

风能；双馈异步发电机；滑环室；碳粉收集

0　引言

风能作为一种高效清洁的可再生能源，以其良好的社会效益和经济效益逐渐成为世界各国发展能源的战略重点。我国风能资源丰富，风电产业正处于起步发展阶段，而双馈异步发电机组以其较高的风能利用率和优异的性价比等优势成为目前风力发电的主导技术之一。滑环作为机组中双馈异步发电机的一个重要部件，其运行的可靠性直接关系着电机的质量。为保证滑环的可靠运行，滑环室结构的设计特别重要。因此，针对双馈异步发电机滑环的运行特点，我公司设计了一种自冷式滑环冷却风路结构。

1　滑环风路结构设计

1.1滑环室功能

滑环室是滑环及碳刷安装和防护的装置，它主要包括滑环外罩的设计，风路的设计和碳粉收集装置的设计。滑环外罩构成了滑环碳刷安装的空间，具有一定的防护和承载作用；风路结构保证了滑环运行过程的冷却，保证滑环碳刷工作在适合的温度范围；碳粉收集装置主要是收集由于碳刷摩擦产生的碳粉，由于碳粉中存在重金属，如果直接排入大气中，会对环境造成污染，所以必须有碳粉回收装置。目前滑环室结构大多采用了IP23的结构，冷却系统采用的空气冷却。

1.2目前的技术状态

滑环室作为双馈电机必备的部件，不论在电机设计还是电机运行中都起着非常关键的作用，在现有的双馈异步发电机中，基本采用了图1所示的结构。

如图1所示，滑环外罩采用了钢板焊接结构，通过滑环外罩端板直接与端盖采用止口配合，以保证滑环室与转轴的同心度，滑环外罩本体设计为四方结构，碳刷刷架安装杆两端分别固定在滑环外罩的隔板和轴承座上；滑环室的风路采用了由上至下的设计。

图1(a)所示的风压源为一个轴流式的冷却风机，整个风路由顶部冷却风机进入，经过引线、碳刷装置、滑环，最后经过碳粉过滤盒引出滑环室。

图1(b)所示的风压源为空冷器的出风支路，风路也是由滑环外罩顶部进入，经过引线、碳刷装置、滑环，最后经过碳粉过滤盒引出滑环室。这种冷却方式从空冷却器出风端出来的风本身已经冷却过电机本体，比环境温度要高，对滑环室的冷却效果与图1相比较差。

通过风场长期运行发现，上述滑环室结构存在一定的缺陷，对电机运行造成一定的影响。

(1)滑环室与轴承组处于同一空间，滑环室的温度直接影响轴承的散热。

由于双馈异步发电机主要应用于风力发电机组，在风电机组机舱内，各种部件的风路互相影响，电机运行环境比较复杂。滑环碳刷装置和轴承对环境的要求不同，若滑环室和轴承组处于同一空间，当滑环室温度超过70℃以上，轴承温度极可能报警，但这个温度对滑环碳刷装置来说仍能使用，所以在很多采用此种结构的机组中，当滑环室温度偏高时导致了轴承温升频繁报警。

(2)滑环室风路阻力较大，不利于滑环碳刷装置的冷却。

由于轴流风机位于滑环室顶部，风路路径经过了引线、碳刷装置和滑环、碳粉过滤装置等，整个风路风阻很大，风压逐级减小，造成通风不畅，致使滑环室温度较高。

(3)滑环室排碳效果较差。

通过对长期运行的电机观察发现，滑环室的积碳比较严重，尤其在滑环室的死角处碳粉堆积明显，而且在运行中由于风路不通畅，造成了滑环室内碳粉飞扬，极有可能造成滑环及碳刷装置故障。

1.3设计要点

鉴于目前滑环室结构的设计缺陷，同时针对双馈异步发电机和风力发电机组的运行特点，我们设计了一种自冷式滑环室结构，如图2所示。

此种结构，滑环外罩端板与端盖间采用过渡连接，使得非驱动端轴承与滑环的工作空间隔离，同样采用止口配合，以保证滑环室与转轴的同心度，碳刷刷杆固定在滑环外罩端板与滑环外罩壁板之间。滑环外罩本体设计为多边形结构，并且在满足防护要求的前提下，在滑环外罩的多个方向都开有通风窗，如图3所示。

滑环室采用自冷式滑环冷却风路结构，风压源是利用尾部自带的离心式风扇随转子旋转产生，风路路径由滑环外罩壁板的内圆做导向，沿轴向从前向后(如图2所示)，对比前述两种结构由吹入式变为抽出式。

2　改进后的技术特点

(1)优化的风路结构改善了滑环室的散热效果。

自冷式滑环室结构采用了一个轴带的离心式风机，其位于滑环室的末端，正对滑环室的出风口，利用电机转速高和离心式风扇风压大的特点，避免了由于碳粉过滤盒风阻大使滑环室风量减小的缺陷，同时因为滑环室存在多个进风口，减小了进风风阻，同时一定程度避开了机舱内某一部件发热对滑环室造成的影响，从而有效的降低了滑环室的温度，提高了滑环装置整体运行的可靠性。

(2)过渡式的滑环外罩连接结构避免了滑环室温度对轴承的影响。

自冷式滑环室结构采用了与端盖过渡式的连接结构，使滑环室与轴承组在空间上隔开，防止了滑环室温升对轴承的影响，同时面向轴承组的滑环室端板为滑环室的进风口，在一定程度上对轴承组起到了冷却的作用。

(3)多边形的外罩结构减少了碳粉的堆积，利于碳粉收集。

自冷式滑环冷却结构的滑环外罩采用了多边形结构，同时采用了抽出式的风路设计，使风路在滑环室内部不会因存在死角而形成回流，也不会引起碳粉飞扬的现象，保证了良好的排碳效果，避免了由于碳粉堆积对滑环及碳刷造成的影响，提高了滑环运行的可靠性。

试验表明，自带离心式风扇的滑环外罩结构其风量比原顶置滑环风机大，而风阻要小，对滑环室的冷却效果及碳粉收集效果具有明显的改善，如图4为采用新结构的电机在正常运行一段时间，单独拆下滑环外罩后，滑环外罩内碳粉分布情况。

3　结语

通过在某型电机上的试制应用，试验结果表明：自冷式滑环冷却风路结构有效改善了滑环室的冷却效果和积碳现象，改善了滑环装置的运行环境，避免了滑环室温升对轴承组的影响，降低了滑环装置及轴承的故障率，提高了电机的可靠性。

[1]陈世坤.电机学. 北京：机械工业出版社， 2000.

[2]E·维德曼.电机结构. 北京：机械工业出版社， 1976.

[3]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.

Design on Wind Path Structure of Self-Cooled Slip Ring

Yin Hao, Hou Zhuoqin, and Wen Junwei

(CSICElectricalMachineryScience&TechnologyCo.,Ltd.,Taiyuan030027,China)

According to analysis of slip ring chamber structure commonly used in wind power product, and a wind path structure of self-cooled slip ring is introduced as for some problems existing in its running process, structure characteristics and technical advantages are introduced. It is verified that the structure can meet design requirements, improve working environment of the slip ring and carbon brush gear and achieve good effect.

Wind power；doubly-fed induction generator；slip ring chamber；carbon powder collection

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.05

TM303.5

A

1008-7281(2016)04-0015-003

尹浩男1982年生；毕业于中北大学机械设计制造及其自动化专业，现从事电机设计工作.

2016-03-18