浅析直驱永磁风力发电机卧式实验翻转平台设计

周小进

（江苏中车电机有限公司，江苏 盐城 224100）

直驱永磁风力发电机一般直径4 ～8m，重量40 ～160t，如要模拟风场运行状态，需将发电机由装配时的平躺状态翻转拼装成卧式状态进行形式实验，往往需要建设大型实验台，投入巨大，且实验效率低，无法满足批量产品实验要求。目前，大部分电机生产厂商只能实现平躺状态进行性能测试，无法模拟风场真实运行状态进行抽样测试或批量测试。考虑到直驱永磁风力发电机高额运输和吊装费用，如装机后调试出现异常故障需要拆装返厂，每台损失达百万元以上，海上海外项目损失更大。

为了确保直驱永磁风力发电机装机可靠性，提升发电机质量保证能力，在考虑发电机整机装配工厂场地的同时，以模拟风场运行为目的因地制宜设计了发电机实验翻转平台（简称实验平台），实现发电机卧式实验要求。

1 整体方案

本实验平台主要用于实现发电机的自动旋转及发电机实验时的支撑固定。满足发电机轴线与水平面呈+5°（仰角）状态下的实验需求。

本设备方案由主体部分、辅助部分组成。

主体部分包括翻转平台及控制系统、液压系统；辅助部分包括围栏、梯子、齿轮防护板、试验辅助支撑、液压制动器、液压插销、过渡法兰。

翻转平台由设备底座、支撑墙、工作平台、旋转摆臂、主轴、轴承及轴承座、齿轮及齿圈、电机减速机组成。

控制系统由PLC、触摸屏、角度编码器、手持操作盒（有线式）、安全光栅等主要元器件组成。其他如继电器、开关、按钮等通用元件安装在电器柜内。

液压系统由电机液压泵、电磁溢流阀、电磁换向阀、电控单向阀、压力继电器、液压缸、试验辅助支撑等主要元件组成。其余如调速阀、液压集成块、进油回油过滤器、空气过滤器、液位温度计等通用元件安装在油箱上。

2 设备技术参数

环境温度：-5 ～45℃；

设备噪音GB/T16769：≤70db(A)；设备额定承载：120t；

设备翻转速度：0 ～0.5r/min 可调；

设备翻转角度：0°～85°(发电机轴线：垂直～仰角5°)；

设备总功率：≤20kW；

设备中心高：≤3000mm。

3 主要结构及设计

（1）工作台设计。工作台面由500 型工字钢、钢板焊接而成。钢材全部采用高强度结构钢Q345A。焊接成形后进行整体去应力退火。由于本设备兼做翻转台与试验设备使用，因此，在设计过程中，主要考虑工作台面的整体刚性要求。根据3D 模型的有限元受力分析，采用高强度结构钢具有明显的刚性指标，工作台面承载后，其整体形变不超过3mm，结构内最高应力不超过110MPa，满足试验设备的高刚性要求。工作台面与摆臂通过高强度螺栓进行连接，连接时有定位销对接定位。

（2）减速机设计。本设备的整体减速比为1：3200。采用双驱动配置。在旋转摆臂两端均配置1 台减速机。每台减速机的输出力矩足够大。安装发电机后，仅依靠1 台电机减速机，就可以驱动工作平台旋转。（前提是，另1 台减速机必需拆除）采用双驱动配置，

其优势在于：①可以降低减速机的规格，选用机型更小的减速机。②降低主轴、联轴器、轴承等元件的机型规格。③双驱动配置可以有效地避免主轴的应力变形。④双驱动配置具有双制动能力（因每个电机都带有电磁制动器），使设备制动效果更明显。⑤双驱动配置可以显著降低定子试验过程中传递到设备试验上的振动，对提高试验精度、避免系统扰动有利。

（3）轴承、轴承座设计。采用φ300 双列调心滚子轴承。相对于滑动轴承，其滚动阻力更小。轴承使用前注满润滑脂，5 年内不需再次润滑。轴承与轴承座配套使用，采用调心轴承有利于保证设备主轴的同轴度要求，能降低设备的安装难度，有利于提高翻转时的灵活性。轴承座为30#铸钢件。铸造成型后热处理调质、进行机加工。轴承座两件，安装在支撑墙上，通过高强度螺栓进行连接。

（4）电机设计。电机与减速机一体，采用7.5kW/4P 变频制动电机两台进行驱动。单台电机功率7.5kW。电机带电磁制动器，可保证停止时有效的制动。电机带制动器释放手柄，必要时，可手动释放制动器。其目的是在意外断电或故障状况下，可手动将工作平台退回到水平状态。

（5）旋转摆臂设计。旋转摆臂有两件，分别与工作平台的左右两侧联接，三者共同组成一个同轴旋转的整体构件。旋转摆臂由Q345A 钢板焊接成型。焊后退火热处理。旋转摆臂上安装有主轴，与主轴通过螺栓进行连接。旋转摆臂与工作平台通过螺栓连接。左右两件旋转摆臂上各安装有一个齿圈。为保证齿圈在旋转摆臂上的同轴度，齿圈在加工时采用专用工装进行配对加工，齿圈在装配过程中亦将采用专用工装进行同轴度调整。

（6）支撑墙设计。支撑墙用于支撑起工作平台，使工作平台达到设计的旋转中心高度。支撑墙由Q345A 钢板焊接成型。支撑墙左右各1 件，安装在设备底座上。支撑墙与设备底座之间通过高强度螺栓联接。支撑墙采用梯形截面结构，主要承受设备、工件的重量，以及发电机旋转产生的侧向力。支撑墙承载按200t 设计。

（7）设备底座设计。设备底座由Q235 型钢及钢板焊接而成。设备底座与地面通过M30 地脚螺栓联接，厂房地面需按图纸位置开地脚螺栓预埋孔。设备底座与地面接触面积5.25 m2，设备与工件总质量约200t 设，传递到地面的单位面积压强仅为0.4MPa。因此，厂房混凝土地面只需满足国标C15 强度标准，不需另做强化处理。（国标GB50010-2010/C15）

（8）液压制动器设计。液压制动器为安全部件。液压制动器为失电保护式制动器。液压制动器的作用，是在电机停止工作、或意外断电后，由液压制动器提供制动力矩，确保工作平台无法转动，并保持试验台位置始终不变。液压制动器两台，为盘式夹块结构。为专用成品件，安全可靠。液压制动器制动力矩足够大。可以保证工作平台在任意角度停止。制动后，电机可以完全脱离工作。即制动器制动后，可以将电机减速机拆卸下来，也不会影响工作平台的角度状态。制动器带手动释放手柄，可手动解除制动状态。

（9）液压系统设计。本设备配置一个小型液压站，为试验辅助支撑、液压制动器提供工作动力。液压系统电机功率2.2kW，额定工作压力7MPa。液压系统由电机液压泵、电磁溢流阀、电磁换向阀、电控单向阀、压力继电器、液压缸、试验辅助支撑等主要元件组成。其余如调速阀、液压集成块、进油回油过滤器、空气过滤器、液位温度计等通用元件安装在油箱上。

（10）机械限位设计。试验台设有两组机械限位装置，用于限制设备超角度(即不超过90°)旋转。机械限位块布置在左右支撑墙上，左右旋转摆臂上各有一个随动块。当随动块与机械限位块碰撞时，设备旋转角度被限制。

图1

（11）液压插销设计。液压插销是安全销，由液压缸驱动。插销头端为锥状（如图1 所示），可插入锁块的锥孔内。锥角为20°，便于定位。当销轴受径向压力时，因锥角大于摩擦自锁角，销轴在较小的液压缸作用下很容易拔出锥孔，不会出现“咬死”导致无法退出的情况。液压插销有工作压力，由压力继电器控制。为避免液压插销对其他机构件产生破坏，在液压插销所在的油路中设置压力继电器，当压力达到设定值时，控制系统自动停止供油。

4 结语

直驱永磁风力发电机卧式实验翻转平台可以直接对发电机进行安装翻转实验，文中介绍的实验平台目前已投入使用，运行平稳。相对于传统实验台具备以下优势：（1）自动翻转，不用起重翻转拼装，安全可靠；（2）配备通用转接法兰，不同机型可快速切换，作业效率高；（3）相对于传统实验台，大大减少了基建设施投入，建设周期短，资金投入少。该实验平台可以满足目前市场上大部分5MW 以下直驱永磁风力发电机常规实验需求，同时能实现批量大型直驱风力发电机出厂实验，行业内极具推广使用价值。