海上直驱永磁同步风力发电机组研制

　　摘　要XE115 5MW 直驱型永磁同步风力发电机组是湘潭电机为了拓展海上风力发电而独立自主研发的新型产品。本文介绍了该发电机主要设计参数，设计原则，主要结构特点及优点，型式试验参数以及产品应用前景。从产品工厂型式试验主要参数看，该5MW 直驱型永磁同步风力发电机组研制取得了成功，具有优良的性能，表明了湘潭电机在大型直驱型永磁同步风力发电机组研制技术上达到了国际先进水平。

　　1. 引言

　　湘潭电机已经成功开发研制了XE72 22.5RPM2MW、XE82 19RPM 2MW、XE93 17RPM 2MW、XE93 18RPM 2.5MW 等系列直驱永磁风力发电机组，在设计和制造方面积累了丰富经验，其工艺和结构为5MW 大功率低速直驱永磁发电机的研制提供了很好的参考。该型发电机在设计上借鉴了以往发电机先进成熟的结构， 同时运用先进设计及工艺制造方法， 成功研制出5MW 直驱永磁同步风力发电机以达到海上风电运行可靠、维护简单的要求。本文重点介绍该型发电机组的特点。

　　2. 永磁发电机主要参数

　　发电机型号 XE115 TFYD5000-1

　　额定功率 5273KW

　　额定电压 3000V

　　额定转速18 r/min

　　额定频率12Hz

　　效率95%

　　相数3

　　绝缘等级F 级（ 温升按B 级考核）

　　冷却方式内部密闭循环风冷却， 外部散热翅

　　自然风冷

　　防护等级IP54

　　环境温度-10℃～ 40℃

　　质量130000kg

　　3. 永磁发电机的设计

　　3.1 设计原则

　　3.1.1 采用扁平状盘式结构

　　根据发电机主要参数之间的关系式

　　D 1—电机定子内径

　　分之一。另外采用具有自主知识产权的硅钢叠片盒式永磁体安装结构，以降低永磁体中的涡流损耗和突然短路电流对永磁体的去磁影响。

　　5MW 海上永磁直驱风力发电机组磁钢充磁面积大，磁钢充磁一致性要求高，采用高性能的钕铁硼永磁体，对磁钢的防护有严格要求，磁钢表面采用镀镍铜加电泳环氧层，达到增加永磁体的化学稳定性。

　　4. 通风冷却设计

　　相对XE72、XE82、XE93 机型，5MW 单机容量大，采用较高的电磁负荷以提高材料利用率，因此必须改进电机冷却系统，以提高其散热能力。根据电磁计算的损耗，按照60% 热量由外部散热翅自然风冷，40% 的热量由内部强迫循环风冷。由于铝的导热系数是铁的4 倍多，导热系数大，传热能力强，采用铝板散热筋可以改善发电机的散热条件，较好的解决了大容量永磁直驱发电机自然风冷下的散热问题，国家专利局已经受理了铝板散热筋专利申请。

　　大型电机的结构、电磁、散热互为影响，在初步电磁方案设计后进行电机散热计算，根据散热计算结果调整电磁方案，再根据电磁结果调整电机结构。采用成型产品可靠的结构及材料以保证可靠性，同时采用成熟设计手段和类比方法，努力做到一次试制成功。

　　5. 型式试验结果

　　试验方案由两台5MW 永磁电机背靠背进行试验，驱动装置通过联轴器拖动发电机达到额定转速，发电机满功率发电通过逆变器回馈到电网。（ 如图1）

　　从表1 可以看出，5MW 海上直驱永磁发电机样机各项性能指标达到或超过了设计预期，5MW样机研制取得了成功，已于2010 年10 月25 日成

　　功下线。

　　6. 应用情况

　　5MW 海上直驱永磁同步风力发电机组两台样机一台将装于国内海上风电场，一台将装于欧洲海上风电场，另有多家国外风电场业主对该机型展现了浓厚兴趣，已有美国特拉华州与湘电签订了5MW 海上风电合作项目备忘录。

　　7. 结语

　　通过5MW 海上直驱永磁同步风力发电机组产品开发的实施，湘电股份将形成年产百台以上的5MW 大功率直驱型风力发电机组制造能力，与国家所倡导的重大制造装备业自主创新、做大作强的宗旨相一致，将形成10 亿以上的商品产值和可观的税收和企业利润，为国家能源结构转型，实现能源可再生和生态保护将起到极大的作用。同时，该类型自主创新的产品，具有独立的知识产权，在技术先进性上与国外同类产品相当，加上我国的稀土资源和钢铁工业、机械加工业等配套行业的优势，势必会在国际竞争中占据较为优势的地位。

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