风力发电机轴承温升的影响因素_孙方圆

可以看出在相同条件下，流速增加时，散热系数
增加，温升小。
根据热流密度定义，
q
=
Q A
（ 5 － 3）
Q———单位时间内通过等温面的总热量，即热流量；
A———等温面的面积。
可以看出在相同条件下，等温面增加时，热流密 度减小，温升小。
以图 1 和图 3 为例。 图 1 结构的散热原理源于牛顿散热定律。根据 式（ 5 － 1） 和式（ 5 － 2） ，通过空气流动，增加轴承表 面的散热系数，带走轴承内盖散发的热量，降低轴承 与周围空气的温差。这种结构的缺点在于，发电机 轴承外盖散发的热量通过自然散热方法来解决，散 热效率低； 内部流经轴承的空气大多为从转子带走 热量的空气，温 度 较 高，能 带 走 轴 承 表 面 的 热 量 有 限。设计时，应尽可能将冷空气流经散热表面带走 热量，提高空气流动速度。 与图 1 的结构相比，图 3 的结构是在端盖上增 加了 散 热 筋，加 大 了 端 盖 的 散 热 面 积。 根 据 式 （ 5 － 3） 得出，增加散热筋的端盖的散热效果将明显 提高，提高了轴承外盖的散热效率。理想的散热片 是应直接安放在散热体上，但是轴承结构的原因，可 以安放散热片且距离轴承最近的部件就是端盖。这 种结构的缺点在于，增加了端盖的重量以及加工难 度； 同时，轴承的热量扩散到端盖是有一定的距离 的，达到散热效果需要一定的延时，且散热效率低。 （ 6） 轴承油脂对轴承温升的影响 轴承油脂对轴承温升影响取决于许多因素——— 油脂的类型、油脂用量、轴承结构等等。 风力发电机进行油脂的类型选择时，使用环境 是考虑的一个重要因素。相对其他类型电机来说， 风力发电机常安装于沙漠、高山、海边等风量较大的 地带，使 用 环 境 比 较 恶 劣。环 境 温 度 最 低 达 到 － 40℃ 以下，最高可达到 + 55℃ 以上。目前市场上风 力发电机所用的油脂有克鲁勃、壳牌等几个品牌的 不同型号。选择油脂类型时需谨慎选择。 油脂类型选定后，油脂的用量对轴承温升的影 响是十分明显的。油脂的用量过大，会增大润滑剂 的阻力，引起轴承的温升上升。就滚动轴承而言，润 滑脂填充量一般不超过内部空间的 2 /3 左右。当 然，油脂也不易过少。油脂用量过少，会引起滚动体 摩擦损耗增大，引起发热，严重者损坏轴承。 此外，润滑脂不能使用过长时间，应按时更换。
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这部分影响无法消除，只能减弱。唯一减弱方 法，就是减小转子的温升，以此来减小进入轴承的热 量。提取 2 台电机进行温升试验，电机转速、冷却系 统、试验条件等近似相同的条件下，得出试验报告数 据如表 1 所示。
表 1 发电机损耗与轴承温度
电机
铁耗 / kW
甲发电机 12 乙发电机 13
（ 1） 转子温升对轴承的影响 如图 1 所示，轴承与轴采用的是公差配合。发 电机在运行过程中，电机内部产生了定转子铜耗、铁 耗、机械损耗及附加损耗等等各种损耗，使发电机部 件温度升高。其中，铜耗和铁耗是影响转子温升的 主要因素。 轴的材料为钢，导热能力较强，转子温升也随着 轴的导热扩散出去。当热量扩散到轴的轴承档的时 候，一部分 热 量 进 入 了 轴 承，促 使 轴 承 温 升 有 所 上 升，给轴承的温升带来了一定的影响。
图 2 轴承基本结构图
6330 / C3 轴承是球面滚子推力轴承，其自动调 心能力较强。轴承游隙是轴承的重要特性，是指轴 承内圈、轴承外圈与滚动体之间的间隙量，即滚动体 在径向或轴向可移动的距离。游隙大小对轴承包括 寿命、振动、噪声和温升等有一定的影响。发电机运 行过程中，轴 承 将 同 时 受 到 轴 向 负 荷 和 径 向 负 荷。 游隙过小可能引起内部负荷过大，产生热量，增加轴 承温度； 游隙较大时，可降低摩擦力矩，减小内外圈 的温差，增加热量的传递，减小轴承的温度。
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实物的测量，二是三维模型侧板螺旋面的测量。 4． 1 侧板螺旋面的传统测量手段
利用近似测量的方式进行检测。检测工具是三 棱尺，如图 8 所示。三棱尺的三个点（ B、C、D） 与圆 弧面接触，三棱尺沿侧板与圆弧面相交的一条线在 圆弧面上滑动，如果点 A、B 到螺旋面的距离差值小 于 0． 05 mm，说明螺旋面合格，如果两距离差值大于 0． 05mm 说明不合格，需要重新修正螺旋面，如图 9 所示。
关键词： 风力发电机； 轴承； 温升
0 引言
风电是 可 再 生、无 污 染 的 能 源，大 力 发 展 清 洁能源是我国目 前 的 战 略 选 择。目 前，风 力 发 电 机类型有绕线式双 馈 异 步 发 电 机 型、直 驱 和 半 直 驱同步发电机型等。绕线式双馈异步风力发电 机目前在风电市场的占有主导地位。从容量上 来看，分为 1 ． 25 、1 ． 5 、1 ． 7 、2 、2 ． 3 、2 ． 5 、3 MW 以 及 3 ． 6 MW 等。 从 辅 助 功 能 来 看，有 防 盐 雾 型、 低温型、高 原 型 等； 从 冷 却 方 式 来 看，有 空 空 冷 却、空水冷却、水套冷 却 等。当 前，风 力 发 电 机 轴 承 温 升 过 高，是 市 场 上 风 力 发 电 机 的 一 个 通 病。 笔者着重探讨影响绕线式双馈异步风力发电机 轴承温升的因素。
图 1 轴承安装图
1 轴承结构
2 影响轴承温升的因素
轴承是风力发电机的关键部件之一。轴承温升 过高，会严重影响轴承的寿命，甚至烧坏轴承。风力 发电机位于高空运行，机舱内空间狭小，更换轴承是 一件十分困难的事情。因此，如何延长或保证轴承 的使用寿 命，是 制 造 厂 和 运 营 商 最 为 关 心 的 事 情。 目前，市场上多数发电机制造厂使用的轴承型号为 6330 / C3。风力发电机的轴承安装结构因生产厂家 不同而不同。多数厂家采用图 1 所示结构。下面就 图 1 的轴承安装结构，对影响轴承温升的几个因素 进行分析。
图 9 检验图
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双馈式绕线发电机市场上普遍以 90℃ 设为报警
风力发电机位于高空运行，更换油脂不方便。因此，多 温 度 ，95 ℃ 设 为 关 断 温 度 。 可 见 ，轴 承 的 温 升 是
图 8 三棱尺模型
5 结语
图 10 模拟检验图
定子线圈模具数控机床加工工艺的实施，缩短 了线模的生产周期，大大降低了钳床工作人员的工 作量和劳动强度，缩短了生产周期，提高了线圈模具 精度。为进一步推广应用数控加工技术提供了更多 的技术解决方案。
参考文献
［1］ 刘军，吴勤，李克非． 核能汽轮发电机定子线圈模具数控加工工 艺研究［J］． 东方电机，2009（ 3） ．
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风力发电机轴承温升的影响因素
是个矛盾的过程。 这部分影响的改善方法，是适当的放大轴承内
盖止口和轴承外盖止口之间的距离，即增大留给轴 承热膨胀的空间。但是，放大要适度，不易过大。
（ 5） 轴承散热结构对轴承温升的影响 为了减少轴承的温升，很多发电机制造厂家都 为轴承设计了散热结构。如图所示：
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图 3 轴承散热片图
根据牛顿散热定律，
q = α·Δτ
（ 5 － 1）
q———热流密度；
α———散热系数；
Δτ———温差。
空气作为冷却介质时，可近似认为散热系数公
式为：
α = α0 （ 1 + k 槡ν）
α0 ———发热表面在平静空气中的散热系数； ν———空气吹拂表面的速度；
（ 5 － 2）
k———气流吹拂效率的系数。
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风力发电机轴承温升的影响因素
风力发电机轴承温升的影响因素
孙方圆
（ 上海交通大学电子信息与电气工程学院； 上海电机厂有限公司，上海 200240）
摘 要： 随着风力发电机投入运行量越来越多，各种弊端逐日显现。轴承温升过高作为最为严重的通 病之一，逐渐受到人们的重视。本文阐述风力发电机的轴承结构，根据轴承结构分析了影响轴承温升的 因素，如转子温升、轴承基本结构、轴承套尺寸、轴承室结构、轴承散热结构和润滑脂等。从上述几个影 响因素出发，探讨产生影响的原因以及解决方法。
4． 2 三维模型侧板螺旋面的测量 利用软件模拟 侧 板 螺 旋 面 的 测 量 过 程，如 图
10 所示。根据模拟距离差值的大小，不断的修正 螺旋面以达到 三 棱 尺 点 A、B 到 螺 旋 面 距 离 的 差 值小于 0 ． 05 mm，这样就 保 证 了 加 工 后 的 螺 旋 面 能完全符合三棱尺 检 验 的 通 过，顺 利 通 过 模 具 验 收。
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对于这部分影响的改善方法，可以尝试采用 C4 的轴承。C4 的游隙大于 C3 游隙，可以减缓因游隙 过小而产生的热量。
（ 3） 轴承套对轴承温升的影响 轴承套对轴承温升的影响，主要是指轴承套内 径公差对轴承温升的影响。滚动轴承内圈与轴的配 合采用基 孔 制，外 圈 与 轴 承 套 的 配 合 采 用 基 轴 制。 这样的做法是为了让轴承与轴、轴承套之间可以更 好的配合。发电机运行时，轴承产生摩擦热量。根 据热胀冷缩原理，这些热量产生会导致轴承的膨胀。 当轴承套采用紧配合时，轴承膨胀的空间有限，不能 够完全的膨胀，导致热量留在轴承里面不能散去，引 起温升 上 升。 因 此，应 增 加 留 给 轴 承 膨 胀 的 空 间。 但是，轴承内圈是个旋转体，轴承套的一个作用就是 固定轴承外圈的垂直方向，防止轴承垂直方向的跳 动。因此，轴承套与轴承的配合越紧密越好。这与 前面提到的预留轴承热膨胀的空间越大越好恰恰相 矛盾。设计时，对轴承套公差的选取是个矛盾的过 程。 这部分影响的改善方法，是适当放大轴承套内 径的公差，放大轴承膨胀的空间。但是放大要适度， 不易过大。 （ 4） 轴承室结构对轴承温升的影响 如图 1 所示。轴承外面有一个轴承套，前后各 有一个轴承内盖和轴承外盖。轴承内盖、轴承外盖 与轴承套是止口配合的。这三个部件与轴围成了一 个空间，里面便是轴承。这部分的影响主要是分析 轴向的轴承内盖和轴承外盖之间留给轴承的间隙对 轴承温升的影响。轴承内盖止口到轴承外盖止口之 间的距离与轴承宽度之间的大小因发电机制造厂家 不同而不同。这个空间对轴承的影响与第（ 3） 点因 素的影响大体相同。轴承有热量时，不但在垂直方 向要膨胀，同样在轴向也要膨胀。这个几毫米的空 间就是用来给轴承热胀冷缩的空间。如果留有的空 间有限，就会导致热量不能随膨胀消散，留在轴承上 引起温升的上升。因此留的空间越大越好。同样， 轴承内盖、轴承外盖的作用是固定轴承轴向位置，用 来防止轴向串动的。因此，他们与轴承的配合越紧 密作用越明显。与前面所说的预留热膨胀空间同样 也是相矛盾的。设计时，对预留空间的选取同样也