MW级直驱永磁同步风力发电机定子铁心叠压装置及工艺研究

MW级直驱永磁风力发电机定子铁心叠压装置及工艺研究时兴华（永济新时速电机公司工艺技术研究所山西永济044502）摘要：本文介绍了MW级直驱永磁风力发电机定子铁心叠压装置新结构及工艺的特点。

并通过公司研制的2.5MW 高海拔型直驱永磁风力发电机定子铁心成功叠压的案例，对MW级直驱永磁风力发电机定子铁心叠压提供一种解决方案。

关键词：直驱永磁风力发电机定子铁心扇形冲片叠压Press Device and Technological Study for Stator Core of MegawattDirect Driving Permanent Magnet Wind GeneratorXing hua Shi(Yongji xinshisu electric equipment co.LTD Technology Research Institute Shanxi yongji 044502)Abstract:this article introduces the features of new Press Device and Technological for Megawatt direct driving permanent magnet wind generator,and compendiums an success example for statoe core production of 2.5MW high altitude localities direct driving permanent magnet wind generator,even offer for a program for works of Megawatt direct driving permanent magnet wind generator.Key words: direct driving permanent magnet wind generator stator coresegmental stamping press0引言随着全球能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等资源消耗速度加快，人们对环保、节能、无污染认识的逐步提高和技术发展，风电作为一种可再生能源，在我国得到迅速发展。

永磁直驱风力发电机组由风机叶轮直接驱动发电机旋转，通过全功率变流器，将电压和频率变化的三相交流电变成电压和频率均恒定的交流电源，向电网输送功率。

永磁直驱发电机具有结构简单，可以在较宽的运行范围内，保持较高的功率因数和效率。

同时免去了齿轮箱这一高故障率部件以及滑环装置，具备低噪声、长寿命、易维护，高效率、低电压穿越能力强、结构简单、运行可靠等诸多优点。

由于国家对风力发电入网标准的进一步提高，全功率永磁同步风力发电机组能较好的满足电网新的要求。

因此，大功率永磁同步风力发电机组也成为风电行业的重要发展方向，更多的风电设备制造厂商选择了该项技术作为未来的主要技术方向。

我公司制造的一款2.5MW永磁同步风力发电机定子铁心直径4.7m，重约29T，铁心采用扇形冲片直槽结构，是公司首次生产制造的直径最大，吨位最大的外叠压扇形冲片直槽结构的永磁风力发电机，本文将针对其结构特点在定位、叠片、整形、施压、吊运等方面设计了一些新结构、新工艺方法。

1定子铁心叠压装置新结构及新工艺方案设计1.1定子铁心结构介绍定子铁心是发电机定子上的重要部件之一，在很大程度上决定了电机的性能与质量。

该直驱永磁同步风力发电机定子铁心以扁筒式定子支架为基体，整个叠压过程中定子支架作为本体和叠压基准。

30片扇形片均匀分布组成一层，层与层间二分之一错层叠装。

冲片通过60件冲片固定键固定在定子支架上使之成为一个整体。

铁心叠装后必须保证铁心槽尺寸15.6±0.1mm，散热孔尺寸φ28±0.1mm。

叠压系数大于0.97。

铁心在尺寸精度、平整度、密实度方面均有较高的要求。

按照以往的中小电机定子铁心叠压工艺方案及叠压装置结构难以满足该铁心的叠压技术要求，必须研究新的工艺方案及叠压装置来保证该铁心的叠压需要。

1.2叠压工艺方案的确定根据该铁心扁筒式定子支架的特点及要求，克服扁筒状支架无基准，易变形，铁心无大台面压装机施压的特点，通过论证分析我们确定了合理地叠压工艺流程：支架落位－叠片－一次人工预压－叠片－二次人工预压－叠片－三次人工预压－调整铁心长度－人工终压－冲片固定键紧固－铁心整形－通槽－检查交出－打标识共14个工序，其中支架落位、冲片固定键安装是关键，叠片、施压是重点。

1.2.1定子铁心叠压基准的确定定子铁心叠压基准的确定包括轴向基准和径向基准两个方面。

定子铁心以定子支架为基体，根据扁筒式定子支架自身结构特点，非出线端为一个加工平面，扇形片的叠装应该由定子支架非出线端开始。

我们以非出线端端部为基准，通过设计的叠压平台将非出线端端部基准进行转化以便操作。

转化后其既作为叠压轴向基准，又起到了支撑冲片的作用。

由于扁筒筒式定子支架外径与定子冲片内径名义尺寸相同，理论上冲片靠紧定子支架外径后装配公差能包容其配件偏差，紧靠定子支架外径叠片可以满足叠压后铁心外圆的尺寸要求。

经过技术分析认为只要定子支架不发生塑性变形，在径向以定子支架外径为径向基准可以满足叠压的需要。

1.2.2定子铁心压装方式的确定定子铁心直径4.7m，重约29T。

公司没有如此大台面的压装机，不具备设备压装的能力。

我们通过工装拉杆人工拧紧实现对铁心的施压。

拉杆紧固施压不需要投入特别的设备，费用少，方便灵活，但压力均匀度控制难，铁芯保压下水平度、垂直度难保证。

铁心加压的力源只有靠刚性叠压平台作为压力支撑件，通过拉杆紧固对铁心进行均匀施压。

根据以下经验公式的计算将铁心片间压力转化为工装拉杆的力矩，通过定力矩扳手均匀拧紧工装拉杆定量保证铁心片间压力。

为了保证叠压质量，压紧后保压不小于8小时。

在叠片至一定高度时可安排中间预压。

铁心叠压力可用以下经验公式表示：P= 9.8K1 * S*N*Ψ（1）式中：P——铁心叠压力（单位：n）K1——经验系数（参考值：2~3）S——扇形冲片净面积（单位：cm2）ψ——片间压力（单位：8~12 KgF/cm2）叠压力转化拉杆预紧力可用以下经验公式表示：F= K2*P/N （2）式中：F——拉杆预紧力（单位：n）K2——经验系数（参考值：1.0~1.4）P——铁心叠压力（单位：n）N——拉杆数量拉杆螺纹拧紧力矩可用以下经验公式：T= K3*F*D （3）式中：T——拉杆螺纹紧固力矩（单位：n·mm）K3——拉杆螺纹拧紧力矩系数（参考值：0.1~0.3）F——拉杆预紧力（单位：n）D——拉杆螺纹公称直径（单位：mm）1.2.3定子支架落位为了不使扁筒式定子支架发生塑性变形，定子支架加工厂家极力避免定子支架的翻转，在定子支架的加工、中转工序中强制规定非出线端朝下，严格禁止定子支架的翻转，严格禁止定子支架自身受冲击力。

由于轴向紧固的需要，支架落位时必须精确落位，以便铁心施压时紧固拉杆的紧固。

如果落位不好就会造成返工。

我们采取导向落位的工艺方法，在支架接近叠压平台过程中通过两件导向柱精确落位。

落位精度小于0.4mm。

定子支架落位后效果见图1：1-桁架2-叠压平台3-径向紧固机构4-斜锲顶紧机构5-铁心冲片6-周向定位机构7-径向紧固机构8-叠压上压板9-调平机构10-轴向定位机构图1：MW级直驱永磁同步风力发电机定子铁心叠压装置示意图1.2.4冲片固定键安装问题的解决由于扁筒式定子支架直径大，扁筒式外壁厚度难于保证，误差高达6mm，如根据国外经验利用通用国标螺栓径向紧固冲片固定键已达到紧固冲片的目的，就会出现旋入冲片固定键的螺纹长度不一致，径向紧固力不均匀而存在质量隐患。

我们采用特制双头螺柱代替通用国标螺栓，保证冲片固定键的旋入螺纹长度一致，另一端用螺母紧固。

这样有效地规避了潜在质量隐患。

1.2.5 铁心槽、散热孔尺寸的保证传统电机定子铁心一般采用定位棒定位铁心槽来保证铁心冲片相对位置，不对通风散热孔做定位及尺寸要求。

但水冷铁心的散热孔需安装导水铜管进行散热，为保证散热效果，铜管与铁心散热孔一般设计为小间隙配合，通过涨紧设备将铜管涨紧在铁心散热孔中，如果不控制散热孔尺寸，实际生产中铜管与散热孔不是小间隙配合，而是过盈配合，导致铜管插入困难，甚至插不进去。

我们采用双定位方式，通过定位棒分别定位铁心槽和散热孔，合理选择定位棒定位尺寸，避免产生过定位造成干涉现象。

2应用实例2.5MW高海拔型直驱永磁同步风力发电机定子铁心是我公司为国内某知名风电公司研发的新项目，其定子铁心为扇形冲片外叠压的直槽结构。

该定子铁心叠压是该电机定子制造的关键重要项点之一。

该定子铁心叠压采用了上述新叠压装置和工艺。

叠压前将桁架吊至叠压场地上，调平。

将叠压平台落位在桁架上，调平。

然后落位定子支架，落位时利用导向柱精确落位（图2）。

在定子支架芯筒对应位置安装周向定位机构及斜锲顶紧机构。

图2：落位图3：叠片叠片时以叠压平台上平面轴向定位，以定子支架外圆径向定位，以周向定位机构周向定位。

单张冲片，二分之一叠放（图3）。

叠至三分之一铁心长度时，中间预压一次。

叠至要求铁心长度时，在一定压力下用紧固拉杆将叠压平台与上压板拉紧（图4）。

图4：中压图5：整形铁心在叠片过程中应按时对铁心槽型进行修整（图5），最后在保压状态下拆除周向定位机构，安装冲片定位键，利用定力矩扳手均匀紧固铁心，注意先径向紧固，后轴向紧固。

本新结构叠压装置成功完成 2.5MW 高海拔型直驱永磁同步风力发电机定子铁心的叠压，叠压系数高达0.985，槽型不齐度小于0.12。

目前该型铁心已小批量生产。

3结语面对市场竞争压力以及更严格的入网要求，风力发电机组呈现更大单机大容量、永磁全功率等特点。

MW级直驱永磁发电机定子铁心的研制成功，将促进风力发电产业的再次快速发展，同时进一步提高我公司风力发电领域的业绩和知名度，保持行业领先水平，为公司拓宽风电市场打下坚实的基础。

【参考文献】［1］成大先.机械设计手册.北京：化工工业出版社，2004［2］陈世坤.电机设计.北京：机械工业出版社，1982。