水套冷异步风力发电机定子加工工艺的分析与研究

王辰佳

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着社会的发展，科学技术的进步，人们对于环境保护的意识越来越强，相对于石化燃料、核电发展，风能更是一种取之不尽，用之不竭的清洁有效的能源，也是目前世界上大力开发和利用的能源。适宜开发的风能资源一般主要分布在海上、沿海地区以及人迹稀少的偏远山区，风电设施的建设相当不容易，维护也相当困难，尤其是海上风电设施的维修成本非常高。由于风力发电机使用场合的特殊性，对发电机的质量就提出了比较高的要求，人们希望他在寿命期内不出故障或少出故障，以此来提高经济效益。一旦发电机故障，停止运转，给电厂造成巨大的经济损失，给人民群众的正常生活、社会活动、企业生产造成很大的不良影响。正因为如此，风力发电机对风力发电厂的作用是非常重要的，是风电场的重要核心装置。如何做好风力发电机，是摆在我们面前的一大课题。

1 水套冷风力发电机的结构形式

水套冷风力发电机的结构主要由机座、定子、转子、端盖、滚动轴承等零部件组成。图1为风力发电机的结构图，图2为电机右剖视图，中间为转子，外面为定子、端盖装在机座两侧，滚动轴承装在端盖的中间，转子通过两个装在端盖中间的滚动轴承支撑。

图1 水套冷风力发电机的结构

了解电机定子的关键技术指标定子铁心内圆与机座端盖止口内圆的同轴度要求，在此基础上，设计一套合理的加工工艺，实现预期的目标，使定子铁心内圆与机座端盖止口内圆的同轴度技术指标符合技术要求，确保电机处于良好的技术状态。

为提高风力发电机的冷却效果，机座设计成水套冷结构，这种设计结构具有紧凑、体积小、冷却效果好等优点。但水室内需通冷却水，因此，对水室使用的材料和焊缝的质量要求比较高，水室必须经过水压试验，合格后才能使用。

图2 右剖视图

鉴于风力发电机对运行可靠性要求较高，且维修和保养费用高昂，因此提高发电机的制造精度对保障风机安全并且经济地运行起着至关重要的作用。其中定子部分的零部件加工质量，对整台电机的质量影响非常大。

2 技术要求

2.1 风力发电机的技术要求

水套冷风力发电机总装后，定转子之间的气隙不均匀度<10%。在转子外圆四等分的位置用塞尺测量定转子之间的气隙，一般选择水平和垂直两个方向的四个测量位置，并记录测量所得的数据，采用算术平均值的计算方法计算定转子之间气隙的平均值。定转子之间气隙的平均值按下列公式(1)计算：

δq=(δ1+δ2+δ3+δ4)/4

(1)

式中：δq为气隙的平均值；δ1、δ2、δ3、δ4分别为转子外圆四等分位置定转子之间的测量气隙。

按下列公式(2)计算定转子之间的气隙不均匀度：

Δ=[|(δmax或δmin)-δq|/δq]×100%

(2)

式中：Δ为气隙不均匀度；δmax为气隙的最大值；δmin为气隙的最小值，取与δq差值最大者。

一般而言，水套冷定子铁心内圆与端盖轴承档内圆的同轴度以及转子外圆与转轴轴承档外圆的同轴度是由机加工来保证的，在默认定子铁心内圆和转子铁心外圆为理想状态时，我们认为定子内圆、转子外圆、转轴各档外圆和轴承内圆是同轴的，在此基础上就可以认为电机气隙是均匀的。如定转子气隙不均匀则可能导致电机运行时振动超标，并产生异响等不良情况，严重时可能导致电机扫膛，直接影响风力发电机组的运行安全。因此，保持水套冷电机定转子气隙的均匀是非常重要的。

2.2 机座的技术要求

水套冷风力发电机机座需先完成筒体部分的装配和焊接，再经过热处理去应力[1]。由于发电机采用水套冷的冷却方式，所以对水室的密封程度要求较高，在进行机加工前需先对水室严格完成泵漏试验，试验具体要求如下：水压1 MPa的条件下连续8 h不跌泵。机加工完成后需再次泵漏试验，试验具体要求如下：水压1 MPa连续4 h不跌泵。具体机加工内容为：左侧端面、左侧端盖档内圆、铁心档内圆、右侧端盖档内圆、右侧端面以及底脚面，加工面除了有直径尺寸、长度尺寸、公差、表面粗糙度要求外，还有形位公差要求。所有内圆的同轴度≤0.05 mm。两侧端面之间的平行度≤0.05 mm，所有须加工的平面与机座中心线的垂直度<0.05 mm，如图3所示。

图3 机座的技术要求

2.3 定子铁心的技术要求

图4 定子铁心的技术要求

2.4 端盖的技术要求

端盖也由各种规格的钢板焊接而成，经热处理去应力后，再进行机加工来完成端盖的加工。机加工内容为：内圆、平面、止口外圆和外止口平面，加工面除了有直径尺寸、长度尺寸、公差、表面粗糙度要求外，还有形位公差要求。内圆圆度要求≤0.01 mm，与机座配合的止口外圆圆度要求≤0.02 mm，内圆与止口外圆之间的同轴度≤0.03 mm，外止口平面与内圆平面之间的平行度≤0.08 mm[2]，如图5所示。

图5 端盖的技术要求

3 技术分析

由2.1水套冷风力发电机的技术要求可知，水套冷风力发电机的定转子之间气隙的均匀度将影响电机的运行性能，气隙不均匀会引起定子三相电压电流的不平衡，引发转子振动和噪声增大等，那么，如何能够满足技术要求？我们先假设转子是个理想部件，各项技术指标(如同轴度、垂直度、圆度、直径尺寸、表面粗糙度等)都符合技术要求。再来分析定子加工质量的优劣对电机定转子之间气隙均匀度的影响，转子是由电机两端的两个滚动轴承支撑的，滚动轴承则是安装在端盖上的，如果端盖内圆与机座内圆不同轴则会造成转子铁心与定子铁心的不同轴，同时如果机座内圆与定子铁心外圆不同轴，则会造成更加大的累积误差，此时转子的中心线就偏离定子的中心线，这种情况发生的后果将是定转子气隙不均匀，电机的运行性能变差。造成机座内圆与定子铁心外圆不同轴，并且机座内圆与定子铁心外圆不同轴的原因是多方面的，如定子铁心外圆、机座内圆、端盖内圆机加工时的基准不同以及滚动轴承的尺寸偏差等[3]。机加工工艺将要采取的相应措施，目的是要提高各零部件的机加工质量，同时可消除或减小各零部件组装后的累积误差。

4 定子的加工方法和措施

4.1 机座的机加工

机座是由钢板焊接而成的结构件，机座机加工前，使用水泵对水室进行泵漏试验。水室有一个进水口和一个出水口，先将水泵的水管接头与机座的进水口连接，启动水泵，将水灌满水室，直至机座的出水口溢出水为止。然后用缠绕聚四氟乙烯密封带的闷头去堵住出水口，再次启动水泵，观察水泵上的压力表读数，达到上述2.2机座的技术要求水压后，关紧阀门，观察水室是否漏水，如压力和保压时间符合上述2.2机座的技术要求，就可以进入下道工序机加工。

机座首先进行划线工作，划出机座的底脚面、内圆和端面的加工余量线，使用镗床或铣床先加工好底脚面，再放到数控双面镗床上加工内圆和端面。机座所有内圆要求一次装夹加工完成，利用数控双面镗床一侧的镗杆加工机座所有内圆，由机床精度来保证所有内圆的同轴度≤0.05 mm、两侧端面之间的平行度≤0.05 mm，所有须加工的平面与机座中心线的垂直度<0.05 mm。

4.2 定子铁心及压圈外圆加工

定子铁心采用外压装的加工工艺，整圆冲片套在压装工具的心轴上压装而成铁心，定子铁心压装工具如图6所示，压装工具上下校调档与心轴外圆的同轴度≤0.02 mm。整圆冲片的内圆与压装工具的心轴之间的间隙控制在0.05～0.08 mm，定子铁心压装并焊接后，定子铁心外圆及压圈外圆须与机座的铁心档内圆配加工，保证上述2.3定子铁心与机座过盈配合的技术要求。

图6 定子铁心压装工具

由上述2.3定子铁心的技术要求可知，铁心外圆需加工成两档不同直径的尺寸，两档铁心外圆一次装夹加工完成，两档铁心外圆尺寸均与机座铁心档内圆尺寸配加工。

先将带压装工具的定子铁心安放到立式车床的花盘上，因为定子铁心采用外压装工艺，冲片以压装工具本体定位。我们认为压装工具本体与铁心内圆的同轴度在允许范围内，所以将压装工具本体校调档作为基准校调，用百分表测量校调档的外圆跳动值，在有夹具的180°二对应位置跳动值相差<0.02 mm，车准铁心外圆直径尺寸，如图7所示。要求铁心的两档外圆一次装夹加工完成，确保两档铁心外圆与铁心内圆即压装工具校调档的同轴度在0.1 mm以内。

4.3 端盖加工

端盖一般放在立式车床上加工，如图7所示，端盖的右端朝上安放，车床夹具夹紧端盖外圆，使得端盖一次装夹就可以将内圆、内圆平面、止口外圆和外止口平面加工好，这样端盖的内圆和止口外圆的同轴度、内圆平面和外止口平面的平行度以及内圆平面和外止口平面与内圆的垂直度都由机床的精度来保证，直径尺寸和厚度尺寸可人为控制，这样加工质量能得到保证。

图7 定子铁心金加工原理

具体的加工工艺为：端盖加工时先加工外圆，再粗精车正反两端面止口，内孔及平面止口和倒角，用外圆卡板检验外圆尺寸、量棒检验内孔尺寸。随后划螺孔位置线，用工装钻模定位螺孔的具体位置，按图纸要求钻孔、扩孔、攻螺纹及倒角。端盖外止口及内圆一次装夹加工而成，并且用专用钻模保证了螺孔的位置度，最大程度降低加工误差。

4.4 定子装配

机座与定子铁心为过盈配合，0.10 mm<过盈量≤0.16 mm，工艺采用热套的方法。将机座放到烘房内进行加热，加热温度≤150 ℃，保温4 h，使机座充分受热膨胀。因机座内有水室，在机座加热前必须取下冷却水进出口的闷头，避免因水室内空气受热膨胀引起爆裂。加热温度按下列公式(3)计算。

T=(I+C)/D×α+t

(3)

式中：T为热套理论温度；I为最大过盈量；C为热套间隙；D为磁轭外圆的名义直径；α为热膨胀系数；t为环境温度。

将定子铁心(定子嵌线)放在热套支架上，定子铁心两档外圆偏小的一档放在上面，用框式水平仪校正定子铁心外圆的垂直度，垂直度≤0.10 mm/m。从烘房内取出已加热的机座，同样机座铁心档两档内圆偏小的一档放在上面，认准定子铁心与机座的定位标记，将机座垂直套入定子铁心，确认定子铁心与机座的定位标记对齐，让其自然冷却，如图8～9所示。冷却后的定子铁心和机座两端端盖档内圆的同轴度只有定子铁心和机座的机加工误差，同轴度能满足技术要求。

图8 机座与定子铁心

图9 机座垂直套入定子铁心

5 结语

由上述风力发电机的结构形式可知，定子与转子之间气隙的均匀度是由定子铁心内圆与机座两端端盖档内圆的同轴度、盖档内圆的尺寸精度、端盖与轴承的配合精度、转子铁心外圆与转子两端的轴承档的同轴度以及轴承档尺寸精度决定的。各零部件之间紧密相连，各零部件的配合精度最终都将反映在定转子之间的配合精度上，而且各零部件之间的配合精度都将累加地反映出来，影响定子与转子之间气隙的均匀度。因此，编制一套合理的加工工艺是必不可少的，上述这套机加工工艺已使用多年，已有几千台产品电机出厂，电机运行情况良好。从一个侧面反映了我们编制的这套电机机加工工艺的有效性和合理性。