2019年11月22—23日，第四屆中國風(fēng)電電氣裝備與微電網(wǎng)技術(shù)高峰論壇暨中國電器工業(yè)協(xié)會風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開，本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網(wǎng)”。哈爾濱電氣集團(tuán)公司苗立杰教授在會上為大家?guī)砹祟}為《大型雙氣隙永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究》的精彩演講。
以下為演講實(shí)錄：
想想也很巧，大概20多年前也是在電工技術(shù)學(xué)會關(guān)于風(fēng)電的研討會上，我提出了當(dāng)時(shí)叫無齒輪箱永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概念研究，今天在退休的時(shí)候又提出了這樣一個(gè)大型雙氣隙永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究。
這樣的背景其實(shí)大家都知道，風(fēng)電發(fā)電機(jī)做得越來越大，當(dāng)越來越大的時(shí)候，直驅(qū)電機(jī)都很大，那實(shí)際上現(xiàn)在直驅(qū)比如這是一個(gè)轉(zhuǎn)子，這是一個(gè)電子，外轉(zhuǎn)子這樣去轉(zhuǎn)。我們想如果我同樣的這樣技術(shù)不變在外面再加一個(gè)定子，里面一個(gè)定子，雙定子這樣去轉(zhuǎn)，這就是雙氣隙，也就是說我把它的容量基本上增加了一倍。簡單地說就是這樣的效果，當(dāng)然你也可以說相變機(jī)組，相變機(jī)組是內(nèi)轉(zhuǎn)子，是這樣轉(zhuǎn)的，你也可以在里面給它加上一個(gè)，簡單地講就是這樣的過程。因?yàn)樵诖笮碗姍C(jī)的時(shí)候，我們在有效的氣隙內(nèi)部有相當(dāng)大的空間實(shí)際上是浪費(fèi)掉了，我也一直在想怎么樣利用這塊空間，我們在電動機(jī)領(lǐng)域，比如說西門子船上的時(shí)候就把里面的空間都放上了變流器，總是要利用這個(gè)空間。
為什么我們這樣一個(gè)空間存在著，前些年我們沒有提出這樣的問題。這有另外一個(gè)研究，就是搞電機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候會知道，電機(jī)設(shè)計(jì)長寬高和體積有關(guān)系，就是我們講的立方L，就是發(fā)電機(jī)的容量是和直徑的平方成正比。這種情況下，要把容量做大的時(shí)候它就跟著做大了，直驅(qū)為什么大？肯定是你的轉(zhuǎn)速太低了，你要想達(dá)到這樣的容量不得不把它放大。其實(shí)我要講還有另外一個(gè)原因，是我們要故意地把它放大。當(dāng)然第一個(gè)是主要原因，講一下第二個(gè)原因就是我剛才說的立方L這件事情，因?yàn)槊娣e做大的時(shí)候，你是增加直徑，它的容量是按照平方的關(guān)系來增加，可是你去想，當(dāng)你的電機(jī)做大的時(shí)候，真正電機(jī)容量轉(zhuǎn)化有效的部分就是在電機(jī)氣隙，我們經(jīng)常講有效部分，有效部分就是氣隙，也就是說銅、絕緣材料，當(dāng)然最重要的是永磁材料。當(dāng)然不是說其他都是無效的，沒有別的制成它也就完了，機(jī)器上也制成不了，當(dāng)你的電機(jī)做大的時(shí)候，我們說容量是和立方成正比，但是真正的有效部分實(shí)際上就是氣隙，我認(rèn)為也就是一圈與它成正比。與這一圈成正比的原因是什么？其實(shí)它有兩個(gè)，為什么直徑成正比？因?yàn)橹睆酱罅艘院螅~體就多了，這是一個(gè)正常的狀態(tài)，另外直徑大了，實(shí)際上線速度大了，是兩個(gè)原因造成的。這樣造成容量和立方成正比，但是消耗的材料特別是有效材料是和壁（音）成正比，這種情況下當(dāng)然愿意把電機(jī)做大，扁一些，大一些，主要是這樣的原因。為什么我們搞直驅(qū)的，只是直驅(qū)的第一家，德國的Areca（音），他甚至做成一個(gè)環(huán)形電機(jī)就是這樣的原因。
基于這樣的原因，所以我們做的時(shí)候，第一件事情我做1.5MW的時(shí)候就去選，怎么選呢？也不是做很大，很大的時(shí)候支承也要很大，肯定有這么一個(gè)點(diǎn)去優(yōu)化。怎么樣來選這個(gè)東西？其實(shí)除了你在技術(shù)上之外還有很多其他方面的約束都考慮進(jìn)來，比如運(yùn)輸?shù)膯栴}，運(yùn)輸又多了一個(gè)限制，是的，多了一個(gè)限制，但是反過來講，也多了一個(gè)簡化，當(dāng)我一看運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候去查，根據(jù)我們多年運(yùn)輸設(shè)備大大小小的事情來說我們知道4.2米這樣一個(gè)高度，2.4米的長度，這樣一個(gè)運(yùn)輸是全國各地都能運(yùn)到的。所以這個(gè)設(shè)計(jì)很簡單我在1.5MW的時(shí)候其實(shí)我在找600千瓦的時(shí)候一直把這個(gè)直徑搞到了4.2米，從那之后就沒有變化。當(dāng)然到了后來1.5已經(jīng)不行了，再后來再大的時(shí)候4.2米已經(jīng)打不住了，但是我們也沒有往下去做，但是按照我們的慣性思維，我們就走了另外一條路，就是我們的大型發(fā)電設(shè)備特別是水電都是分部件，到了組裝起來，從那個(gè)角度解決這樣的問題。實(shí)際上這是不全面的，因?yàn)槿绻强傃b起來整體發(fā)運(yùn)不用現(xiàn)場組裝這是最好的，另外模塊化組裝的時(shí)候還得增加一個(gè)比如你除了加工增加一些重量等等。那金風(fēng)做了很好的事情，大量運(yùn)輸之后突破了4.2米，但是金風(fēng)給我們帶來了一個(gè)好處不是他突破了4.2米，而是他做到5米左右，后來5.1米，5.2米，但是量太大了，當(dāng)在大量運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，什么問題？這樣運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候其實(shí)突破了4.2米，已經(jīng)超寬了，你是能運(yùn)輸，但是你超寬了，總之有一點(diǎn)麻煩的。但是他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)其實(shí)5.1米，5.2米和5.5米對于運(yùn)輸來講一樣。這個(gè)數(shù)非常重要，因?yàn)楫?dāng)你知道了5.5能不能運(yùn)出去的時(shí)候，按照我剛才講的原理，他就會自然而然把5.1的這個(gè)東西同樣的容量，他就會做到5.5米，沒有運(yùn)輸?shù)膯栴}，而其他帶來的問題剛才講了有效利用又出來了。
我今天要說了如果我們繼續(xù)再放大，5.5也擋不住，怎么辦？今天講的6MW、8MW甚至10MW，當(dāng)然跑到海上去了，那是另外一回事，當(dāng)?shù)亟▓龅膸资f千瓦都到當(dāng)?shù)亟◤S。我們要把我們的15米的列車搞到現(xiàn)場，到現(xiàn)場加工，都已經(jīng)做到這樣，當(dāng)然這不是我們發(fā)明的。你這樣去做的時(shí)候，一個(gè)風(fēng)電的量比較大，如果我能運(yùn)出去呢？怎么能運(yùn)出去？這個(gè)時(shí)候我就把我剛剛說的雙氣隙的問題就拿過來了。
我們算了一下，10MW大概是8米多一點(diǎn)，金風(fēng)的大概8米，老實(shí)說按照我現(xiàn)在做的從5.5米雙氣隙之后，我能夠折算過去的現(xiàn)在能做到的是7.5米，還差了一點(diǎn)，但是你容量再稍微降一點(diǎn)，還要繼續(xù)做下去。現(xiàn)在像6MW、7MW這些都一點(diǎn)問題沒有了。當(dāng)然，我講的所有這些都是在長度不變的情況下去說的，如果長度稍微提升一點(diǎn)點(diǎn)也就能夠去運(yùn)輸了。也就是說我今天講的除了這些技術(shù)問題你要去算和優(yōu)化之外，很重要的一個(gè)問題就是有幾個(gè)約束，幾個(gè)限制，把這些問題考慮進(jìn)去，在什么情況下才是最實(shí)用的，也不是雙氣隙。當(dāng)然也有一個(gè)技術(shù)問題，比如你在做雙氣隙的時(shí)候，當(dāng)你做軸相雙氣隙的時(shí)候，軸相中心的距離和外面的距離最好大于70%是最好的，要不然也是不劃算的。
雙氣隙相當(dāng)于就是兩個(gè)了，兩個(gè)變頻器，里面一個(gè)電機(jī)，外面一個(gè)電機(jī)，可以這樣去考慮，但是把兩個(gè)轉(zhuǎn)子都弄沒了，減輕了重量。我剛才說體積大概減少了一半，但是重量肯定沒有這么多，略微降低，而有效材料其實(shí)一點(diǎn)也沒有降低。
我們的主要研究內(nèi)容還是放在前置式，上邊那個(gè)是徑向，下面那個(gè)是軸向的。除了直驅(qū)的之外，剛才我講了幾個(gè)一個(gè)是容量尺寸降低，重量減輕。其實(shí)分?jǐn)?shù)槽我剛才問了王總他們已經(jīng)用了，分?jǐn)?shù)槽除了下線快捷，還有其他的方面。我一直堅(jiān)持自然風(fēng)直接冷卻，為什么自然風(fēng)直接冷卻？實(shí)際上我們做的電機(jī)剛才說4.2也好，5.5也好，一個(gè)是立方L上一定要撐到頂，第二個(gè)撐到頂?shù)臅r(shí)候就要利用外部的風(fēng)自然冷卻。既然是雙氣隙相當(dāng)于兩個(gè)電機(jī)，我也按照3000V來做，一個(gè)壞了另外一個(gè)照樣發(fā)電，另外還有一個(gè)不壞另外一個(gè)也發(fā)電，為什么？這個(gè)時(shí)候關(guān)掉它，效率提高的。特別我們在試驗(yàn)的時(shí)候，后來我做了一個(gè)樣機(jī)，這臺樣機(jī)找軸連接節(jié)，什么都不用，就這一個(gè)電機(jī)，另外一個(gè)當(dāng)發(fā)電機(jī)。運(yùn)輸、吊裝、運(yùn)行，可能在運(yùn)輸、吊裝運(yùn)行上更重要一些，不一定是講海上，海上大家講了很多的觀點(diǎn)，海上那么大的空間，反倒沒關(guān)系，你在陸上多去考慮一下，反倒是有好處。
這個(gè)轉(zhuǎn)子過來，內(nèi)定子、外定子，兩個(gè)，另外我們有一個(gè)風(fēng)道，內(nèi)部把風(fēng)打進(jìn)去。這個(gè)圖實(shí)際上就是我說的不要爭論內(nèi)外轉(zhuǎn)子好了，就這樣來，我看挺好。
我們設(shè)計(jì)了3MW和10MW的徑向和軸向的設(shè)計(jì)，軸承結(jié)構(gòu)還是按照3MW的，10MW的基本上結(jié)合我說的4.2米差不多，一會兒我會談到軸承，其實(shí)我不會設(shè)計(jì)軸承。東方的那個(gè)軸承選的是MVG的專門給他做的嘛，待會兒我會說一下軸承的事。參數(shù)我這都有了。
分?jǐn)?shù)槽集中繞組設(shè)計(jì)，我剛才說20多年前就到了烏魯木齊，給他們介紹的就是分?jǐn)?shù)槽繞組，今天又分?jǐn)?shù)槽繞組，但是多了兩個(gè)字，叫分?jǐn)?shù)槽集中繞組。我們做了25千瓦的模型。
這個(gè)是中間設(shè)計(jì)的過程，大家搞電機(jī)的都知道，就不多說了。這是空載磁密的介紹。我們把半開口槽和開口槽進(jìn)行了對比。這是負(fù)載計(jì)算的情況。這個(gè)就是軸向軸承的。這是定子部分。這個(gè)是轉(zhuǎn)子部分的仿真計(jì)算，那邊是轉(zhuǎn)子盤。這是通風(fēng)冷卻計(jì)算，右邊那個(gè)是溫度計(jì)算。
軸承。我們現(xiàn)在用的軸承是3MW不到3米，實(shí)際上就是新強(qiáng)聯(lián)做的那個(gè)。當(dāng)你做軸向疏通的時(shí)候整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)全都變了，不是用疊片，而是卷的。怎么去卷成那樣大的電機(jī)。這個(gè)是10MW雙氣隙風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，用了這么大，我問東方你怎么選到的，他說我們搞到最大的了，我就用這個(gè)，這個(gè)是實(shí)測的過程。
最后結(jié)論和展望。
說是展望我們已經(jīng)做了這樣的東西，我們也在做半直驅(qū)，我覺得在做半直驅(qū)的時(shí)候。做這樣一個(gè)電機(jī)的時(shí)候，為什么要這樣去做？海上我還是不太贊成，當(dāng)然我不是搞齒輪箱的，我是做不好這樣一個(gè)東西，但是陸上我覺得可以研究。但是為什么可靠？故障維修是一個(gè)問題。另外我在80年代到現(xiàn)在這么多年來一直擔(dān)心一件事情就是永磁材料太稀有了，我一臺直驅(qū)電機(jī)用的量太大了，成噸來用這個(gè)永磁材料，如果減少永磁材料的用量肯定半直驅(qū)是一個(gè)好的方式。但是現(xiàn)在半直驅(qū)的基礎(chǔ)都不太注重我剛才說的立方L的問題，你既然用了半直驅(qū)的基礎(chǔ)，你把永磁材料大量地減少了，你為什么不把它用到極限呢？
所謂極限就是我剛才說的立方L，就是我們做的半直驅(qū)的在發(fā)電機(jī)的部分照樣把發(fā)電機(jī)一定也要把它做成一個(gè)大直徑，原因我剛才已經(jīng)介紹過了，就是我們的半直驅(qū)的這種，外徑4.2米，這個(gè)時(shí)候做3MW，這個(gè)時(shí)候整個(gè)有效長度就這樣，你會省多少，線速也會更高。前幾天有一個(gè)公司說我們能不能做10MW300多轉(zhuǎn)的，那肯定是兩壁齒輪箱，上面那個(gè)圖這是10MW的，我就把它基本上做成了4.2米的，電機(jī)的外機(jī)是4.2米，大概是這樣的情況。就是你做的時(shí)候一定要做到底，但是所有的有效材料都省的。所以通過這樣的模型，我們覺得無論是徑向還是軸向都是很好的發(fā)展。
（內(nèi)容來自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）
