永磁直驱风力发电机外转子的磁钢装配

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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一千多块，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。磁钢装配主要涉及两个重要装置，一是将磁钢从外部环境引导进入转子磁轭中，即磁钢导向装置；另一是克服磁钢与转子磁轭间吸引力所产生的摩擦力，即磁钢推入装置；两个装置配合使用即可实现磁钢装配。

[关键词]永磁直驱；外转子；磁钢；装配

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0325-02

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。常用作电机磁极的永磁材料包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼。永磁直驱风力发电机的磁钢采用铷铁硼材料，该材料于1983 年问世，其磁性能十分优异被称为“磁王”，具有极高的磁能积和矫顽力；但缺点是硬而脆，表面极易被

氧化腐蚀，因此在磁钢安装时对装配速度和质量都有很高的要求，本文涉及的内容即是一种永磁直驱风力发电机外转子的磁钢装配方法。

一、外转子磁钢装配要点

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 磁钢装配难点

因永磁直驱风力发电机的磁钢采用铷铁硼材质，该种材质具有非常强的磁性，操作时为了安全起见应尽量远离碳钢材质环境；而发电机外转子本身就是碳钢材质，因此基于此考虑，磁钢装配有如下难点：

第一、如何引导磁钢从转子外部环境安全进入每两个压条所形成的燕尾型腔，这需要制作相应的磁钢导向装置；

第二、磁钢进入燕尾型腔后，因磁钢与转子磁轭间存在强大的吸引力，对于每一块磁钢而言要想装配到位必须克服磁钢与转子磁轭间吸引力所产生的摩擦力，这需要制作相应的磁钢推入装置；

第三、为了提高磁钢装配效率，磁钢推入装置需一次能够实现多极磁钢的推入，其数量应与磁钢导向装置一次能够实现磁钢引导的数量一致。

二、磁钢导向装置和磁钢推入装置

1 磁钢导向装置

磁钢导向装置，即引导磁钢从外部环境进入转子磁轭的装置。结构如图2.1所示。主要零部件说明如下：

磁钢导向条：相邻两根磁钢导向条间形成燕尾型腔，是转子压条所形成的燕尾型腔的向下向外延续；端面尺寸上端大下端小，便于磁钢从下端放入；延转子径向方向，其上端开螺纹通孔、中段开光孔；优先选用304 不锈钢材质。

垫板：将转子内壁的台阶垫起，从而使垫板表面与转子磁轭表面平齐，便于磁钢在燕尾型腔中顺利通过台阶；优先选用PE 或聚四氟乙烯材质。

连接压板：一端借用转子支架最下排螺纹孔、一端使用磁钢导向条上端螺纹孔，使用螺栓、螺钉紧固，从而使磁钢导向条上端固定、实现磁钢导向条与转子压条的对接。优先选用304 不锈钢材质。

定位条：一段圆弧条，内弧与转子内径一致，下端面延转子轴向开通孔与转子下端面螺纹孔使用螺栓固定；内弧面开5 个通孔，5 根螺栓穿过磁钢导向条中段光孔、垫板、和该通孔，实现磁钢导向条的下端固定。定位条可以是碳钢材质。

2 磁钢推入装置

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。如图2.2所示。主要零部件说明如下：

底轮：三个底轮便于使用前后，磁钢推入装置的整体移动。

底盘：安装其他零件的配重支撑零件。

电动机、联轴器、减速器：与直线单元配套使用，从而获得滑板的上下直线运动。

支架：与底盘连接，从而将直线单元竖直安装固定的结构件。

直线单元：内部结构为皮带或丝杠，从而带动滑板上下直线运动的部件，亦为外购件。

滑板：背面与直线单元连接，正面与推板连接的过渡连接装置。

推块：磁钢推入时，上端面与磁钢接触，带动磁钢在燕尾型腔中运动，其分布与转子磁极分布相适应，即连续4 个推块对应连续4 个磁极。优先选用尼龙等材质。

推板：背面与滑板连接，正面与4 个推块连接，用于布置4 个推块。优先选用304 不锈钢材质。

手轮：旋转3 个手轮，可以将磁钢推入装置支起，3 个支承点获得一个平面，从而可以适应任意角度的斜磁极的磁钢推入。

三、适用范围及优缺点

该种磁钢装配方式，使用磁钢导向装置解决了磁钢从外部环境安全进入转子磁轭的喂料问题，可以连续4 个磁极的磁钢喂料，然后使用磁钢推入装置将磁钢推入到位，实现磁钢装配。当推完一个工位的4 极磁钢后，可以拆除磁钢导向装置，安装在相邻的下一4 个磁极位置，移动磁钢推入装置定位调整，进行下一个4 极磁钢的推入。当然一台转子内可以同时配多套该装置，提高磁钢的装配速率。

磁钢推入装置可以实现任意角度斜磁极的磁钢推入，对于不同型号的转子，只需要更换推板即可，以适应转子磁极间距尺寸的变化，模块化设计程度较高，实用性强。磁钢导向装置结构简单，用材很少，重量较轻，易于安装拆卸，制作成本很低。两套装置的组合使用特别适用于发电机样机试制，装置可以随发电机转子的具体参数变化而变化，反应迅速，装置修改较少，成本低；也适用于小批量的发电机转子生产，但对于既定参数的发电机转子大规模批量化生产，装置的频繁人工拆卸调整定位等需要消耗时间，且每块磁钢的喂料都是人工完成，效率较低，并非最优方式。

四、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，积极研究和优化发电机结构，敢于技术创新、研发试制样机，逐步实现机组量产化，促进行业多元健康发展。

本文研究了一种永磁直驱外转子的磁钢装配方法，利用转子特定的结构特点，设计出磁钢导向装置和磁钢推入装置，将二者组合使用，具备适应性强、成本低廉等优点，完全可以胜任样机试制和小批量的转子生产。对于大规模批量化生产，磁钢装配还得向自动化、智能化方向研究和发展。

参考文献：

[1]王生旭 磁钢推入导向装置[P] 中国专利：CN203911691U 2014-10-29

[2]王生旭，詹军 磁钢推入装置[P] 中国专利：CN203562894U 2014-04-23