永磁直驱风力发电机、系统及其定子的制作方法

永磁直驱风力发电机、系统及其定子的生产方法

【技术领域】

本发明属于风电技术领域，涉及永磁直驱风力发电机、系统及其定子。

【背景技术】

[0002]在现有技术中，开放式永磁直驱外转子风力发电机依靠自然风冷，开放式结构有利于自然通风和换热，帮助磁极使用永磁材料，防止温升超标后磁性降低，但发电机通常暴露在极端恶劣的环境中（暴露在风、霜、雨、雪、灰尘、盐雾等）。

[0003]1、潮湿环境中电机内部水份的来源及其危害

[0004](I)水份的来源

[0005]与正常环境相比，雨雪更容易进入电机，总结水源主要有以下几种：

[0006]室外机舱外的风力发电机在雨雪融化后直接浸泡，少量水通过电机旋转进入电机；当发电机在潮湿天气停止工作时，水分进入发电机内部，然后冷凝；长期停机的发电机容易因水分而冷凝；在恶劣环境下工作的风力发电机也可能遭受雨雪浸泡等事故（排水孔堵塞）；发电机生产过程中未按工艺要求预干燥或油漆干燥不完全造成的绝缘毛孔残留。

[0007](2)发电机绝缘易受潮的原因

[0008]本部分主要引用《发电机绝缘易受潮原因分析》(作者:齐玉福QI Yu-fu出版名称:大电机技术年，卷(期):2009 (4)) ο

[0009]空冷发电机在停机状态下容易受潮，主要表现为泄漏电流显著增加，绝缘电阻显著降低。根据规定，绝缘电阻低到一定值，不允许运行，必须干燥。

[0010]由于其运行状态和结构，空冷发电机绝缘容易受潮。由于发电机的绝缘只能使用固体绝缘介质，嵌入铁槽中，不能像变压器一样浸泡在绝缘油中，也不能像全封闭组合电器一样GIS—样品，充满密封SF发电机的绝缘只能暴露在空气中。在正常运行过程中，发电机铁芯和绕组产生的热量应由流动空气带走。当发电机产热和散热达到平衡时，发电机铁芯和绕组温度保持在一定值范围内。当发电机正常运行时，依靠自然风冷的外转子永磁直接驱动发电机也依靠自然侵入的空气作为冷却介质。铁芯和绕组的温度将高于冷却介质空气。发电机停机后，铁芯和绕组的温度将逐渐降低。由于间隙和间隙中空气的热膨胀和冷收缩，大量空气进入发电机以实现压力平衡。此时，绝缘吸收空气中的水分，如果在雷雨季节，雨后空气湿度较大，发电机绝缘水分较严重。发电机绝缘受潮后，泄漏电流是正常值的几十倍甚至几百倍，绝缘电阻是正常值的几十分之一。从数据分析来看，发电机绝缘受潮严重，无干燥处理，无法运行。从绝缘试验数据的角度来看，发电机绝缘受潮严重。事实上，在绝缘潮湿的早期阶段，只有表面吸收水分，绝缘内部没有潮湿。与绝缘浸泡后相比，绝缘表面的水分仍然微量，干燥更容易。

[0011]当空气湿度高时，电机的绝缘需要很短的时间，一天甚至几个小时才能降低绝缘电阻。这就要求雨天必须抵抗雨水进入发电机，或雨后及时带走电机内的湿空气。本规定明确规定，绝缘电阻不合格，不能保证发电机不发生事故。如果发生事故，必然会造成巨大的经济损失。运行前必须通过干燥处理。

[0012](3)发电机内部有水造成的危害

[0013]对于发电机来说，良好的绝缘是电机安全运行的前提，在定子绕组中，无论是槽绝缘、层绝缘、层绝缘、绑带和电源线外层，都有大量的毛孔，容易吸收空气中的水分，降低其绝缘性能，使绝缘导热性差，造成绝缘击穿损坏电机，造成人身、设备安全事故。相对湿度高容易使表面凝结水膜。当湿度高于95%时，水滴经常凝结在电机内部，使金属部件容易生锈，润滑脂受潮变质，部分绝缘材料受潮膨胀，部分软粘，机电性能恶化，容易发生绝缘击穿和表面闪光。此外，霉菌在高湿度环境下容易生长，霉菌的分泌物会腐蚀金属和绝缘材料，迅速恶化绝缘，造成短路事故。

[0014]2.汇总分析现有技术

[0015](I)现有技术中常见的干燥方法

[0016]本部分将参考《发电机定子绕组绝缘潮湿现场干燥处理》（作者：林军、李云海、矫健、[中图分类号]TM311 [文献标识码]B1004-7913 (2009) 04— 0013—

02)说明内容。

[0017]发电机定子绕组受潮后，不同冷却方式、容量和受潮程度的发电机在干燥过程中采用不同的方法。目前，以下干燥方法常用于现场。(a)定子铁损干燥法。该法实际上对大型发电机没有可操作性，特别是在运行过程中。(b)加电流干燥法。将转子线圈通入电流，用铜损产生的热量加热转子绕组。交流加热方法受现场容量限制，一般采用直流电流加热。这种方法需要串联发电机三相绕组，或者分支可以根据情况解开，然后串联成电路。大型发电机电流相对较大，通常根据绕组分支增加直流。电源可采用电动盘车或其他通过整流获得的电源，小容量发电机也可采用多台直流焊机并联供电。(C)外加热源法。在发电机风洞内，将定子上、下部挡风板打开，在定子绕组下部布置电热板或其它红外加热设备。该方法对较小的发电机更有效。(d)三相短路干燥法。发电机定子绕组出口处三相短路，然后使发电机组在额定速度范围内运行。通过调整励磁电流，定子绕组电流上升，利用发电机自身电流产生的热量干燥绕组。三相短路干燥要求发电机本身具备运行条件。(e)热水循环干燥法。定子线棒水冷却发电机可利用内冷水箱内的加热装置或临时接入电加热器加热内冷水箱内的冷却水，水温不得高于70°C，启动内冷水泵，用热水循环干燥定子线棒的绝缘。该方法主要用于定子线棒水冷发电机现场，作用对象为地面作业电机。

[0018]永磁直驱风力发电机已尝试上述干燥绝缘系统方案(b)。

[0019](2)其他干燥技术

[0020]论文《汽轮机停机后用热空气除湿干燥保养》

[0021]作者:陈行庚、曹祖庆；作者:东南大学江苏南京；母文:第四届全国火力发电技术学术年会论文集(上册)。

[0022]会议名称：2003年11月01日，第四届全国火力发电技术学术年会。

[0023]汽轮机停机后，利用不饱和的湿空气通过流动部分吸收残留水分，使机器干燥，防止汽轮机停机后生锈。为了提高湿空气的吸湿能力，先压缩湿空气，然后通过加热器加热，然后通过汽轮机吸收水分，然后排出。排气水分含量降至预定指标，表明机器干燥，可防止腐蚀。

[0024](3)论文《水毁电机快速干燥方法》

[0025]作者：沈兆虎，刊名：中国农村水利水电年，卷(期)：1999(1)。

[0026]浸泡在洪水中的电机需要干燥。为了缩短干燥时间，节省干燥资金，开发了一种远红外温度控制干燥机。该干燥机简单、高效、实用、材料方便、成本低。

探索开放式机舱外风力发电机密封方案的技术路线

[0028]密封可分为相对静止结合面间的静密封和相对运动结合面间的动密封两大类。在这里，开式机舱外风力发电机的密封部分相对移动，属于旋转密封。动态密封可分为接触式密封、非接触式密封和无轴密封。对于开放式舱外风力发电机，如果采用接触式密封，则不能依靠相对干燥的气流长期直接冷却电机内部。非接触式密封包括迷宫密封和动力密封。迷宫密封是利用流体内流体的节流效应来限制泄漏，通常用于要求较低的场合。动力密封包括离心密封、浮环密封、螺旋密封、气压密封、喷射密封、水力密封、磁流密封等。它通过动力元件产生的压力来抵消密封两侧的压差，以克服泄漏。密封性高，但能耗高。这种密封是利用流体力学的平衡。如果运行条件发生变化，泄漏量会波动很大。

[0029]迷宫密封，又称梳齿密封，主要用于气体密封。它可以使流体通过多个节流间隙和膨胀腔组成的通道，通过多个节流产生巨大的能量损失，大大降低流体压力。在直驱外转子大型永磁风力发电机中，可以利用节流压降的特点构建密封环节。

[0030]气压密封利用空气压力来堵住旋转部件与静止部件之间的间隙，以保证密封。但要有一定压力的气源供气，气源在此密封处产生的压力要比电机外自然环境压力偏高。气压密封不受温度、速度限制，一般用于密封两侧压差不大的地方。

[0031]根据上述检索到的相关代表性论文，目前电网中运行的火力发电机组、水力发电机组和核电机组通常设置在固定工厂内。通常，工厂不会受到雨雪的侵袭。然而，当水电机组被洪水淹没时，上述发电机组使用的冷却介质（水）泄漏时，地面运行的发电机组的运行条件比风电场运行的陆地或海上风力发电机组更方便。在发电机冷却方面，在充分利用自然环境中风冷的便利性和优越的性能条件的同时，需要解决和测试的是发电机绝缘系统的绝缘水平。永磁直驱外转子风力发电机常年暴露在风、沙、雨、雪、阳光或停机后的冷冻环境中，与地面运行的汽轮发电机、燃气轮发电机、水轮发电机的环境差距过大，特别是部分维修工作成本过高，高空作业（60-100米）起重机使用成本高。因此，风力发电机甚至不可能在地面上轻松工作。另一方面，风力发电机组的操作也取决于有风天气。风轮机驱动发电机转子旋转，发电机定子感应电势，在定子出口实现三相短路，依靠短路电流产热干燥定子，提高绝缘水平。同时，根据当时的风速，间接控制发电机转子转速，然后控制短路电流，控制绕组产热，烘干潮湿。这些条件