永磁直驱风力发电机转子永磁体的装配技术
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摘 要
永磁直驱风力发电机采用永磁体进行励磁，永磁体是电机中的关键部件，由于转子高速旋转，永磁体易于脱落受损。永磁体的装配技术涉及模块化、固定结构、散热、耐腐蚀四方面。
关键词
直驱;风力发电;永磁体;装配;模块化;散热;腐蚀
中图分类号： TM315 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.045
风力发电与传统发电方式相比较，具有清洁无污染的、可再生、获取方便、经济性高、功率密度大等优势，在众多可再生能源开发中具有十分重要的地位。近年来也得到我国政府的大力重视和支持。在我国，仅2019年全国风电项目有350余个，新增装机量超4万MW。
风力发电机主要的结构形式有：双馈式、直驱式和半直驱式。其中直驱式风力发电机由于取消了齿轮箱，使风力机直接与发电机相连，有效地避免了由于齿轮箱磨损带来的故障，传动效率高，可靠性高，维护成本低，工作寿命长，近年来得到了快速的发展和应用，也是风力发电领域的研究热点。
永磁直驱发电机包括转子和定子，转子和定子同轴设置。转子包括磁轭，以及多个沿周向间隔设置在磁轭的表面上的永磁体。由于转子永磁体的强磁性，且定子上具有金属构件，例如铁芯，因而当进行电机装配时，转子的永磁体与定子会相互吸引，使得转子与定子之间容易出现局部的碰撞和吸附，导致转子和定子的损坏，另一方面由于转子高速旋转，永磁体易于脱落受损。因此，转子永磁体的装配技术直接制约永磁直驱发电机的发展与应用，装配技术主要涉及以下三方面。
1 模块化
风力发电机的外转子通常通过转子罩进行支撑，制造这样外转子的复杂性和成本随着转子的外形的增大而增加，且整体式转子，需要更换具有缺陷的永磁体时，维护也更加困难，因此采用模块化制造永磁转子。
转子永磁体被固定到磁极模块中，磁极模块被固定到转子轭的表面，磁极模块具有载体板，永磁体设置在转子罩中，永磁体安装在载体板上，多个载体板首尾相连形成环形。转子罩通常选用不锈钢之类的非磁性材料制成。转子罩采用螺栓拧紧或铆钉方式。磁极通常粘接到转子罩内。
磁极模块的组装可以采用直排方式或者相对于轴向方向倾斜地排布方式。直排的方式的安装方式是：转子轭的表面具有轴向的紧固轨道，转子轭被布置成由轴承相对于转子支撑后，紧固轨道在轴向方向上滑动到转子轭部的表面上的对应位置。该紧固轨道可以具有T形横截面，磁极模块具有与T形横截面相配合而压靠在紧固轨道部分，与转子轭相连接。进一步，也可以通过螺栓或者螺纹杆固定，使其本体部径向延伸到紧固轨道，使磁极模块与紧固轨道紧密相连。
但是，为了减少齿槽转矩和/或电压谐波，需要采用磁极模块相对于轴向方向倾斜地排布。磁极模块至少径向分为三组，每组为多个磁极模块在转子轭表面周向排布。因此，该永磁极模块在轴向上连续，并且在轴向上处于不同的位置，形成偏离轴向方向倾斜地排布结构。紧固轨道与转子轭的连接方式可以与直排方式相同的连接。不同之处在于，通过改变永磁体在磁极模块载体板的位置，即后一组的磁极模块的永磁体相对前一组的永磁体在载体板上沿着横向偏移规定距离。采用上述方式，磁极模块也可以容易地被布置成“V”形或“W”形或者更多弯折的形状。
2 固定结构
直驱式永磁体风力发电机的永磁体在转子上的安装方式，有插入式和表面式两种安装方式。
插入式永磁体的安装相对于表面式安装式更容易。插入式永磁转子的转子轭部具有供永磁體插入的空隙。永磁体轴向插入到空隙中。转子的每个极具有两个永磁体槽用以放置两块/两组永磁体，横向一字型或者“V”字形。永磁体端部通常设置有空隙。每组永磁体由多个永磁体沿槽的长度方向叠放在一起，进一步降低成本。
表面安装式的转子永磁体固定结构的改进主要集中在以下方面：
压条/压块：通过压条将转子罩固定到转子轭。压条可以是双边的，固定相邻的转子罩，那么每个压条具有两个沟槽，沟槽对应与转子罩的冲压的钩形边缘，二者卡扣固定在一起，沟槽设置在用于紧固的螺栓的两侧。通过这种方式，每个压条执行两个不同转子罩的紧固。这种方式采用的压条成本较高，生产工艺复杂。为了降低成本，也可以将压条替换成压块，同时也可以降低转子的总质量。
载体板配合：载体板的结构以及多个载体板的配合方式的不同对永磁体装配要求以及制造成本带来不同的影响。载体板采用两种互补的弧形拼块载体板，拼块两端具有连接部，连接部由一对相邻的互补台阶部通过螺栓连接在一起，每个弧形拼块通过在每个弧形拼块内形成燕尾槽来保持永磁体。这种互相配合的台阶部相比于传统的燕尾槽形制造成本更低。为了进一步降低装配难度，提出了一种载体板是由相同形状的弧形拼块载体板，在弧形拼块载体板的两端分别具有异形部，可以形成一个或多个台阶，多个弧形拼块载体板可通过两端台阶形的台阶部互相配合，异形部也可以采用T形槽、燕尾槽、斜面锯齿槽、曲面锯齿槽等对应的形状，只要是两端的异形部可以彼此形成配合。再使紧固件穿过其中一个弧形拼块载体板即可将其固定，大大降低了装配难度以及制造成本。
3 散热
永磁体的磁场与电机内的温度密切相关，温度过高有发生不可逆失磁的风险，直接影响发电机运行的稳定性，对于稀土合金永磁体的大型发电机，降低磁体的温度可以进一步减低磁体的成本。据此，在永磁体装配过程中仍需进一步考虑它的散热。
正如前面所提到的，永磁体是安装在转子罩内的，通过转子罩对永磁体表面进行支撑和限位。因而，为了在保持永磁体的同时改善永磁体的散热，将转子罩与永磁体的之间设置有空隙，从而在磁体的顶部表面上形成的空气流动空间，另一方面，通过在转子罩上形成有凹部，或者脊等其他类似可以弹性变形以提供用于将永磁体保持在转子罩内的保持力的结构，凹部，或者脊与永磁体线性接触，二者采用过盈配合方式配合。该空隙的形式是结合凹部的结构所形成的，可以形成两个或者更多个的空隙部，空隙部之间通过凹部或者脊与永磁体的线性接触隔开，单个空隙可以更进一步的提高冷却效果。
另一方面，还可以在转子罩上提供反射性高的外表面，减少定子的磁通穿过转子罩的表面，从而形成一个辐射屏障，减少转子罩与永磁体的温度升高。通过采用光滑或抛光的表面，在面向气隙的转子罩的表面不喷涂材料或者阳极氧化的方式，或者采用非金属材料的转子罩来提供反射性高的外表面。
4 耐腐蚀
海上风力发电机的环境条件较为恶劣，例如潮湿和腐蚀，对永磁体的使用寿命带来了新的挑战，进而对永磁体的装配提出了新的要求。
通常可以采用转子罩将永磁体固定在磁轭的表面，在永磁体与转子罩和磁轭表面的空腔内填充密封料，例如环氧树脂、漆、塑料或硅酮，密封料可以采用角焊缝形式施加，角焊缝的形式可以为平坦角焊缝、拱形焊缝或空心角焊缝。
更进一步的是为永磁体提供迷宫式的密封结构。具体地，永磁体的外表面设置有防护层，该防护层不仅覆盖永磁体的磁极面，还覆盖为了限位永磁体的定位凸台的侧面。定位凸台采用多个凸台间隔规定距离，在凸台之间形成有凹槽，构成了凹凸间隔连续的结构。通过对防护层进行延长至该定位凸台远离永磁体的一侧的外表面，增加了迷宫式的密封结构的复杂程度，保证了防护层更加紧密地贴靠在永磁体的外表面，对永磁体进行了更加全面的保护。为了更进一步地提高永磁体的防护能力，可以适当增加该凸台与其之间凹槽的数量。
针对风力发电机的应用场合和需求采用合适的装配技术对保障风力发电机的运行稳定具有十分突出的作用。随着技术的发展，永磁直驱风力发电机的结构已经日趋成熟。永磁体是永磁直驱风力发电机的关键部件，提高永磁体的性能，永磁性受高温不可逆退磁、降低永磁体的制造、维护成本等问题，对进一步发展永磁直驱风力发电机至关重要，也是进一步研究的方向。
参考文献
[1]贾大江.永磁直驱风力发电机组的设计与技术[M].北京：中国电力出版社，2012.10：52-100.
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