永磁直驱风力发电机外转子的磁钢半自动装配
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[摘 要]永磁直驱风力发电机外转子使用大量的永磁体即磁钢，这些磁钢使用工装设备将其从转子外部引入转子磁轭并到达预定位置，使磁钢各方向被约束，达到磁钢装配的目的。永磁直驱风力发电机外转子磁极很多，多达数十甚至100极以上，每个磁极内又有同极性的磁钢10多块，这样每台转子需要装配磁钢达上千块，而磁钢与转子磁轭间存在强大的吸引力，这给操作的安全性和可靠性带来挑战，需要有专门的工装设备来保证将磁钢顺利安全装配到位。在小规模生产下，可以利用人工完成磁钢的逐块喂料、使用设备将磁钢推入到位，完成磁钢装配；但在大规模批量化生产情况下，该种方式效率较低，辅助操作时间过长，仅停留在部分电气化水平上。本文介绍了一种适用于永磁直驱风力发电机外转子大规模生产的磁钢半自动装配方法，通过各功能模块装置的组合使用；该方法电气化自动化水平较高，具有较好的实际应用价值。
[关键词]永磁直驱；磁钢；半自动装配
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0040-02
随着国民经济的快速发展，国内能源消耗巨大，雾霾天气增多，大气污染日益严重，而我国能源结构中化石类能源占比近九成，因此发展清洁能源、降低化石类能源占比是大势所趋。在最近十年，随着政策的支持，新能源领域中的风力发电在国内迅速崛起，发展势头迅猛。目前市场上主流的风力发电机有双馈和永磁直驱两种类型。永磁直驱风力发电机具有无齿轮箱、维护成本低等优点，在市场上的认可度越来越高，市场占比逐年增多。永磁直驱风力发电机转子结构分内转子和外转子，本文以外转子为研究对象，该结构磁极在外转子内壁磁轭上，内定子嵌有三相绕组。外转子设计，使得能够有更多的空间安装磁钢，同时转子旋转时的离心力，使得磁极固定更加牢固。
一、转子磁钢装配要点
1 外转子结构
目前针对大型永磁直驱风力发电机的外转子结构的研究相对较少，现以一种已经量产的永磁直驱外转子风力发电机为例，该转子结构主要由转子支架、安装在磁轭表面的压条以及每两个压条所形成的燕尾槽型腔中的磁钢组成。因永磁直驱风力发电机转速较低，转子需要更多的极数，极数多达80甚至100以上，相邻的两极磁钢极性相反。磁极位于外转子内壁的圆周上，转子内壁上有螺纹孔，使用螺栓将压条安装在转子内壁上，压条数量与转子磁极数量相等，每两根压条之间形成延转子轴向方向的燕尾型腔，磁钢的形状与该燕尾型腔相适应，尺寸略小于该燕尾型腔，将磁钢延燕尾型腔轴线方向逐个安装到位，这样磁钢被全约束，固定安全可靠，如图1.1所示。
2 磁钢装配方法
基于该种外转子特定结构，已经有了相应的磁钢装配方法，即使用磁钢导向装置和磁钢推入装置，将两个装置组合使用实现磁钢装配。但该方法需要人工分离磁钢来完成每块磁钢的喂料，效率较低，很适用于发电机样机试制和小批量生产，但不适合大规模批量化生产。因此需要在此两套装置使用已经取得效果和经验的基础上，设计制作新的磁钢装配装置，向自动化方向迈进，以提高磁钢装配效率。下文来介绍该套装置的各功能模块及具体实现方式。
二、磁钢装配装置
1 磁钢自动喂料装置
磁钢自动喂料装置，即操作时无需人工分离磁钢，将整包装磁钢拆除外包装材料后直接装填至该装置的4个喂料槽中，喂料进给机构按照程序设定完成磁钢进给喂料的装置。磁钢自动喂料装置需要与磁钢推入装置组合使用，通过程序统一控制，实现二者的动作连贯。
2 磁钢包装简介
为了便于磁钢分离，每2块同极性磁钢间隔有一塑料隔块，这样大大减少了磁钢间的吸引力，例如6块磁钢间有5个塑料隔块；拆除外包装材料后将整个包装的磁钢延转子径向方向填入喂料槽中。
三、磁钢自动装配装置
1 磁钢推入装置
磁钢推入装置直接使用了人工分离磁钢实现磁钢装配里的部分，见上文中所述。该装置经长期实操验证，结构简单、运行可靠，如图3.1所示。
磁钢推入装置，即产生一定推力、从而克服因磁钢与转子磁轭壁间吸引力所产生的摩擦力，将磁钢推入到所要求的位置，实现磁钢装配的装置。磁钢推入装置支架底板留有螺栓安装孔，与磁钢自动喂料装置对接连接。
2 磁钢自动装配装置
将磁钢推入装置安装有推板的一面朝向磁钢自动喂料装置的弧形板，磁钢推入装置支架底部与磁钢自动喂料装置使用螺栓连接紧固，二者组合形成磁钢自动装配装置。
按照上文所述，径向运动机构实现弧形板与转子内壁贴合，旋转升降手轮使磁钢自动喂料装置上升，旋转转子使转子磁轭上安装的连续5根压条下端面与5根磁钢导向条上端面对接，然后调节升降手轮使顶板上表面与转子下端面贴合紧密，完成磁钢自动装配装置的位置调整。
完成4个磁钢喂料槽的整包装磁钢填料，通过操作面板按钮，使磁钢推入装置推板下行，待推板下行并整体越过磁钢喂料到位处下方某一位置并触发开关，此时推板停止下行并同时触发磁钢进给机构带动4个弹性轮推动4个喂料槽中的磁钢进给到磁钢喂料到位处，通过操作面板按钮，使磁钢推入装置推板上行，4个推块将4个喂料槽中最前排磁钢切入5根磁钢导向条与弧形板所形成的燕尾型腔中，同时最前排塑料隔块因失去加紧力而自动向下落料，磁钢推入装置推板继续上行，将4块磁钢推到位后返程，直至触发磁钢喂料到位处下方某一位置并触发开关，推板停止下行并且触发磁钢进给机构进给喂料，完成一次循环，多次循环形成磁钢自动装配。
3 磁钢喂料顶块
当4个喂料槽中的磁钢被一块块切出后，喂料槽中的磁钢在减少，需要再次填料，将整包装磁钢分别填入4个喂料槽中；为了确保安全当喂料槽中剩余3块磁钢时，不再继续进给，磁钢进给机构自动后退，此时分别在4个喂料槽中填入4个整包装磁钢，槽内剩余磁钢背后与新填入的磁钢间要放置塑料隔块，防止磁钢间直接吸在一起，造成磁钢破碎。当需要将喂料槽内的3块磁钢全部进给完毕时，需要制作磁钢喂料顶块。
磁钢喂料顶块为一截面形状尺寸与磁钢喂料槽相适应，延磁钢进给方向的长度约3倍左右的磁钢与塑料隔块厚度之和，顶块前端开矩形槽、内嵌导磁材料，如普通碳钢板；导磁材料距前端约一块磁钢厚度，将该顶块直接吸在第三块磁钢后端，相当于增加了喂料槽内磁钢块数，增强磁钢进给的稳定性。特别是最后一块磁钢，因与喂料顶块导磁材料存在吸引力，不会自然掉落造成危险和损失。磁钢喂料顶块主体材料优先选用尼龙等材质。
四、转子转动支撑平台
磁钢装配时需要将外转子延轴向支撑一定高度，便于为磁钢自动装配装置留出空间；另外磁钢自动装配装置只具备延转子径向方向一定距离范围内的直线运动能力，不具备延转子周向曲线运动的能力，因此在一台磁钢自动装配装置完成一次4极磁钢装配后，需要转子转动4极磁钢的位置，进行下一个4极磁钢装配，这就需要设计制作转子转动支撑平台。图4.1所示。
五、磁钢自动装配工作台
有了磁钢自动装配装置和转子转动支撑平台，可以实现磁钢的自动装配，但单个的磁钢自动装配装置效率较低，难以应对大规模生产的需求，因此需要根据转子的磁极个数情况布置多个该装置，形成磁钢自动装配工作台，如图5.1所示。
使用时先将4台磁钢自动装配装置调整至径向最小位置，将转子连接筒与转子法兰通过螺栓连接，吊起转子，平移至磁钢自动装配工作台正上方，下降转子，实现转子连接筒与转子转动支撑平台的转筒对接，并使用螺栓连接。按照上文所述，完成4台磁钢自动装配装置与转子及压条间的位置调整，完成各自对应的4极磁钢装配。旋转手轮，使磁钢自动装配装置的顶板下降离开转子下端面，径向运动机构使磁钢自动装配装置向内移动一定距离，使弧形板离开转子内壁。转动转子，距离为周向连续4个磁极间距，再次按照上文所述，进行下一4极磁钢装配。每转动一次转子完成16极磁钢的装配，大大提高了磁钢装配效率。完成整台转子磁钢装配后，将4台磁钢自动装配装置调整至径向最小位置，拆除转子连接筒与转子转动支撑平台转筒的螺栓，吊离转子，拆除转子连接筒与转子法兰连接螺栓，并与下一台转子法兰连接，进行下一台转子的磁钢装配。
六、适用范围
该种磁钢装配方式具备半自动化水平，对人员操作熟练度的依赖较低，关键动作由程序控制完成，工作效率高，整台转子的磁钢装配总时间可控且波动较小。因此在具体实施中，可以将转子生产环节中磁钢装配之前和之后的工序分开，即磁钢装配前的转子清理、压条安装工序和之后的磁极防腐覆层工序与磁钢装配工序在人员划分上完全分离，进行专业化分工，这样磁钢装配工序就可以连续不停作业，而转子清理、压条安装工序可以根据磁钢装配所需时间调整人员数量，即三个步骤可以按照一定的节拍分工进行，具备一定的局部流水作业能力，只有这样安排磁钢自动装配工作台才能发挥最大的效应，才会在最短时间内收回设备的资金投入。即该种磁钢装配方式适用于大规模批量化风力发电机的生产。
七、结论
随着人们环保意识的增强，再加上政府大力推行新能源建设，风力发电在当下以及今后有非常广阔的发展空间；在永磁直驱风力发电机市场份额逐年扩大的背景下，积极研究、敢于技术创新、实现机组产业化生产，迎合市场发展需求。
本文研究了一种永磁直驱外转子的磁钢半自动装配方法，将磁钢装配所需的动作进行分解，即水平方向的磁钢进给喂料，竖直方向的磁钢推入实现磁钢装配的方法，两个动作由程序统一控制完成，且四台磁钢装配装置同时作业，大大提高了磁钢装配效率。为风电行业机组装配的技术进步作出典范，用时也符合整个制造业自动化、智能化的发展趋势。
文中提到转子转动目前由人工完成，回转轴承在承受整个转子重量的情况下，启动力矩并不大，在转子边缘施加较小的切向力便可以使转子转动，转动和定位效率并不低。整个包装磁钢的去除外包装材料、装填进入喂料槽也是人工来完成，从这个角度而言，整个磁钢装配过程是半自动的方式。如果要实现全自动装配，对于直径达5m的外转子每次旋转定位精度和磁钢自动装配装置的径向运动机构重复定位精度都会有很高的要求，且对效率的提高很有限甚至没有提高；自动拆包装实现整包装磁钢的自动填料可能需要机器人之类的智能设备；因此全自动磁钢装配需要在技术攻克以及设备投入成本上进行详细论证。
参考文献：
[1]张文臣，李延慧，李斐斐，赵祥一种外转子永磁风力发电机[P] 中国专利：CN103023183A 2013-04-03
[2]王生旭磁钢推入导向装置[P] 中国专利：CN203911691U 2014-10-29