主题发言

CWPE2019:哈尔滨电气集团苗立杰:大型双气隙永磁风力发电机的研究

2019-11-27    东方风力发电网

2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。哈尔滨电气集团公司苗立杰教授在会上为大家带来了题为《大型双气隙永磁风力发电机的研究》的精彩演讲。


 

以下为演讲实录: 

想想也很巧,大概20多年前也是在电工技术学会关于风电的研讨会上,我提出了当时叫无齿轮箱永磁风力发电机的概念研究,今天在退休的时候又提出了这样一个大型双气隙永磁风力发电机的研究。

这样的背景其实大家都知道,风电发电机做得越来越大,当越来越大的时候,直驱电机都很大,那实际上现在直驱比如这是一个转子,这是一个电子,外转子这样去转。我们想如果我同样的这样技术不变在外面再加一个定子,里面一个定子,双定子这样去转,这就是双气隙,也就是说我把它的容量基本上增加了一倍。简单地说就是这样的效果,当然你也可以说相变机组,相变机组是内转子,是这样转的,你也可以在里面给它加上一个,简单地讲就是这样的过程。因为在大型电机的时候,我们在有效的气隙内部有相当大的空间实际上是浪费掉了,我也一直在想怎么样利用这块空间,我们在电动机领域,比如说西门子船上的时候就把里面的空间都放上了变流器,总是要利用这个空间。

为什么我们这样一个空间存在着,前些年我们没有提出这样的问题。这有另外一个研究,就是搞电机设计的时候会知道,电机设计长宽高和体积有关系,就是我们讲的立方L,就是发电机的容量是和直径的平方成正比。这种情况下,要把容量做大的时候它就跟着做大了,直驱为什么大?肯定是你的转速太低了,你要想达到这样的容量不得不把它放大。其实我要讲还有另外一个原因,是我们要故意地把它放大。当然第一个是主要原因,讲一下第二个原因就是我刚才说的立方L这件事情,因为面积做大的时候,你是增加直径,它的容量是按照平方的关系来增加,可是你去想,当你的电机做大的时候,真正电机容量转化有效的部分就是在电机气隙,我们经常讲有效部分,有效部分就是气隙,也就是说铜、绝缘材料,当然最重要的是永磁材料。当然不是说其他都是无效的,没有别的制成它也就完了,机器上也制成不了,当你的电机做大的时候,我们说容量是和立方成正比,但是真正的有效部分实际上就是气隙,我认为也就是一圈与它成正比。与这一圈成正比的原因是什么?其实它有两个,为什么直径成正比?因为直径大了以后,铜体就多了,这是一个正常的状态,另外直径大了,实际上线速度大了,是两个原因造成的。这样造成容量和立方成正比,但是消耗的材料特别是有效材料是和壁(音)成正比,这种情况下当然愿意把电机做大,扁一些,大一些,主要是这样的原因。为什么我们搞直驱的,只是直驱的第一家,德国的Areca(音),他甚至做成一个环形电机就是这样的原因。

基于这样的原因,所以我们做的时候,第一件事情我做1.5MW的时候就去选,怎么选呢?也不是做很大,很大的时候支承也要很大,肯定有这么一个点去优化。怎么样来选这个东西?其实除了你在技术上之外还有很多其他方面的约束都考虑进来,比如运输的问题,运输又多了一个限制,是的,多了一个限制,但是反过来讲,也多了一个简化,当我一看运输的时候去查,根据我们多年运输设备大大小小的事情来说我们知道4.2米这样一个高度,2.4米的长度,这样一个运输是全国各地都能运到的。所以这个设计很简单我在1.5MW的时候其实我在找600千瓦的时候一直把这个直径搞到了4.2米,从那之后就没有变化。当然到了后来1.5已经不行了,再后来再大的时候4.2米已经打不住了,但是我们也没有往下去做,但是按照我们的惯性思维,我们就走了另外一条路,就是我们的大型发电设备特别是水电都是分部件,到了组装起来,从那个角度解决这样的问题。实际上这是不全面的,因为如果是总装起来整体发运不用现场组装这是最好的,另外模块化组装的时候还得增加一个比如你除了加工增加一些重量等等。那金风做了很好的事情,大量运输之后突破了4.2米,但是金风给我们带来了一个好处不是他突破了4.2米,而是他做到5米左右,后来5.1米,5.2米,但是量太大了,当在大量运输的时候他发现了一个问题,什么问题?这样运输的时候其实突破了4.2米,已经超宽了,你是能运输,但是你超宽了,总之有一点麻烦的。但是他发现了一个其实5.1米,5.2米和5.5米对于运输来讲一样。这个数非常重要,因为当你知道了5.5能不能运出去的时候,按照我刚才讲的原理,他就会自然而然把5.1的这个东西同样的容量,他就会做到5.5米,没有运输的问题,而其他带来的问题刚才讲了有效利用又出来了。

我今天要说了如果我们继续再放大,5.5也挡不住,怎么办?今天讲的6MW、8MW甚至10MW,当然跑到海上去了,那是另外一回事,当地建场的几十万千瓦都到当地建厂。我们要把我们的15米的列车搞到现场,到现场加工,都已经做到这样,当然这不是我们发明的。你这样去做的时候,一个风电的量比较大,如果我能运出去呢?怎么能运出去?这个时候我就把我刚刚说的双气隙的问题就拿过来了。

我们算了一下,10MW大概是8米多一点,金风的大概8米,老实说按照我现在做的从5.5米双气隙之后,我能够折算过去的现在能做到的是7.5米,还差了一点,但是你容量再稍微降一点,还要继续做下去。现在像6MW、7MW这些都一点问题没有了。当然,我讲的所有这些都是在长度不变的情况下去说的,如果长度稍微提升一点点也就能够去运输了。也就是说我今天讲的除了这些技术问题你要去算和优化之外,很重要的一个问题就是有几个约束,几个限制,把这些问题考虑进去,在什么情况下才是最实用的,也不是双气隙。当然也有一个技术问题,比如你在做双气隙的时候,当你做轴相双气隙的时候,轴相中心的距离和外面的距离最好大于70%是最好的,要不然也是不划算的。

双气隙相当于就是两个了,两个变频器,里面一个电机,外面一个电机,可以这样去考虑,但是把两个转子都弄没了,减轻了重量。我刚才说体积大概减少了一半,但是重量肯定没有这么多,略微降低,而有效材料其实一点也没有降低。

我们的主要研究内容还是放在前置式,上边那个是径向,下面那个是轴向的。除了直驱的之外,刚才我讲了几个一个是容量尺寸降低,重量减轻。其实分数槽我刚才问了王总他们已经用了,分数槽除了下线快捷,还有其他的方面。我一直坚持自然风直接冷却,为什么自然风直接冷却?实际上我们做的电机刚才说4.2也好,5.5也好,一个是立方L上一定要撑到顶,第二个撑到顶的时候就要利用外部的风自然冷却。既然是双气隙相当于两个电机,我也按照3000V来做,一个坏了另外一个照样发电,另外还有一个不坏另外一个也发电,为什么?这个时候关掉它,效率提高的。特别我们在试验的时候,后来我做了一个样机,这台样机找轴连接节,什么都不用,就这一个电机,另外一个当发电机。运输、吊装、运行,可能在运输、吊装运行上更重要一些,不一定是讲海上,海上大家讲了很多的观点,海上那么大的空间,反倒没关系,你在陆上多去考虑一下,反倒是有好处。

这个转子过来,内定子、外定子,两个,另外我们有一个风道,内部把风打进去。这个图实际上就是我说的不要争论内外转子好了,就这样来,我看挺好。

我们设计了3MW和10MW的径向和轴向的设计,轴承结构还是按照3MW的,10MW的基本上结合我说的4.2米差不多,一会儿我会谈到轴承,其实我不会设计轴承。东方的那个轴承选的是MVG的专门给他做的嘛,待会儿我会说一下轴承的事。参数我这都有了。

分数槽集中绕组设计,我刚才说20多年前就到了乌鲁木齐,给他们介绍的就是分数槽绕组,今天又分数槽绕组,但是多了两个字,叫分数槽集中绕组。我们做了25千瓦的模型。

这个是中间设计的过程,大家搞电机的都知道,就不多说了。这是空载磁密的介绍。我们把半开口槽和开口槽进行了对比。这是负载计算的情况。这个就是轴向轴承的。这是定子部分。这个是转子部分的仿真计算,那边是转子盘。这是通风冷却计算,右边那个是温度计算。

轴承。我们现在用的轴承是3MW不到3米,实际上就是新强联做的那个。当你做轴向疏通的时候整个电机结构全都变了,不是用叠片,而是卷的。怎么去卷成那样大的电机。这个是10MW双气隙风力发电机结构,用了这么大,我问东方你怎么选到的,他说我们搞到最大的了,我就用这个,这个是实测的过程。

最后结论和展望。

说是展望我们已经做了这样的东西,我们也在做半直驱,我觉得在做半直驱的时候。做这样一个电机的时候,为什么要这样去做?海上我还是不太赞成,当然我不是搞齿轮箱的,我是做不好这样一个东西,但是陆上我觉得可以研究。但是为什么可靠?故障维修是一个问题。另外我在80年代到现在这么多年来一直担心一件事情就是永磁材料太稀有了,我一台直驱电机用的量太大了,成吨来用这个永磁材料,如果减少永磁材料的用量肯定半直驱是一个好的方式。但是现在半直驱的基础都不太注重我刚才说的立方L的问题,你既然用了半直驱的基础,你把永磁材料大量地减少了,你为什么不把它用到极限呢?

所谓极限就是我刚才说的立方L,就是我们做的半直驱的在发电机的部分照样把发电机一定也要把它做成一个大直径,原因我刚才已经介绍过了,就是我们的半直驱的这种,外径4.2米,这个时候做3MW,这个时候整个有效长度就这样,你会省多少,线速也会更高。前几天有一个公司说我们能不能做10MW300多转的,那肯定是两壁齿轮箱,上面那个图这是10MW的,我就把它基本上做成了4.2米的,电机的外机是4.2米,大概是这样的情况。就是你做的时候一定要做到底,但是所有的有效材料都省的。所以通过这样的模型,我们觉得无论是径向还是轴向都是很好的发展。

(内容来自现场速记,未经本人审核)