尹浩，侯卓琴，溫俊偉

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原030027)

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自冷式滑環(huán)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計

尹浩，侯卓琴，溫俊偉

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原030027)

主要通過對目前風(fēng)電產(chǎn)品所常用滑環(huán)室結(jié)構(gòu)的分析，針對其在運行過程中存在的一些問題，介紹了一種自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)，闡述了其結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)優(yōu)勢，并通過試驗驗證了其完全可以滿足設(shè)計要求，改善了滑環(huán)及碳刷裝置的工作環(huán)境，并取得良好的效果。

風(fēng)能；雙饋異步發(fā)電機；滑環(huán)室；碳粉收集

0　引言

風(fēng)能作為一種高效清潔的可再生能源，以其良好的社會效益和經(jīng)濟效益逐漸成為世界各國發(fā)展能源的戰(zhàn)略重點。我國風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處于起步發(fā)展階段，而雙饋異步發(fā)電機組以其較高的風(fēng)能利用率和優(yōu)異的性價比等優(yōu)勢成為目前風(fēng)力發(fā)電的主導(dǎo)技術(shù)之一?；h(huán)作為機組中雙饋異步發(fā)電機的一個重要部件，其運行的可靠性直接關(guān)系著電機的質(zhì)量。為保證滑環(huán)的可靠運行，滑環(huán)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計特別重要。因此，針對雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)的運行特點，我公司設(shè)計了一種自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)。

1　滑環(huán)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1滑環(huán)室功能

滑環(huán)室是滑環(huán)及碳刷安裝和防護的裝置，它主要包括滑環(huán)外罩的設(shè)計，風(fēng)路的設(shè)計和碳粉收集裝置的設(shè)計。滑環(huán)外罩構(gòu)成了滑環(huán)碳刷安裝的空間，具有一定的防護和承載作用；風(fēng)路結(jié)構(gòu)保證了滑環(huán)運行過程的冷卻，保證滑環(huán)碳刷工作在適合的溫度范圍；碳粉收集裝置主要是收集由于碳刷摩擦產(chǎn)生的碳粉，由于碳粉中存在重金屬，如果直接排入大氣中，會對環(huán)境造成污染，所以必須有碳粉回收裝置。目前滑環(huán)室結(jié)構(gòu)大多采用了IP23的結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)采用的空氣冷卻。

1.2目前的技術(shù)狀態(tài)

滑環(huán)室作為雙饋電機必備的部件，不論在電機設(shè)計還是電機運行中都起著非常關(guān)鍵的作用，在現(xiàn)有的雙饋異步發(fā)電機中，基本采用了圖1所示的結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，滑環(huán)外罩采用了鋼板焊接結(jié)構(gòu)，通過滑環(huán)外罩端板直接與端蓋采用止口配合，以保證滑環(huán)室與轉(zhuǎn)軸的同心度，滑環(huán)外罩本體設(shè)計為四方結(jié)構(gòu)，碳刷刷架安裝桿兩端分別固定在滑環(huán)外罩的隔板和軸承座上；滑環(huán)室的風(fēng)路采用了由上至下的設(shè)計。

圖1(a)所示的風(fēng)壓源為一個軸流式的冷卻風(fēng)機，整個風(fēng)路由頂部冷卻風(fēng)機進入，經(jīng)過引線、碳刷裝置、滑環(huán)，最后經(jīng)過碳粉過濾盒引出滑環(huán)室。

圖1(b)所示的風(fēng)壓源為空冷器的出風(fēng)支路，風(fēng)路也是由滑環(huán)外罩頂部進入，經(jīng)過引線、碳刷裝置、滑環(huán)，最后經(jīng)過碳粉過濾盒引出滑環(huán)室。這種冷卻方式從空冷卻器出風(fēng)端出來的風(fēng)本身已經(jīng)冷卻過電機本體，比環(huán)境溫度要高，對滑環(huán)室的冷卻效果與圖1相比較差。

通過風(fēng)場長期運行發(fā)現(xiàn)，上述滑環(huán)室結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，對電機運行造成一定的影響。

(1)滑環(huán)室與軸承組處于同一空間，滑環(huán)室的溫度直接影響軸承的散熱。

由于雙饋異步發(fā)電機主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組，在風(fēng)電機組機艙內(nèi)，各種部件的風(fēng)路互相影響，電機運行環(huán)境比較復(fù)雜?；h(huán)碳刷裝置和軸承對環(huán)境的要求不同，若滑環(huán)室和軸承組處于同一空間，當(dāng)滑環(huán)室溫度超過70℃以上，軸承溫度極可能報警，但這個溫度對滑環(huán)碳刷裝置來說仍能使用，所以在很多采用此種結(jié)構(gòu)的機組中，當(dāng)滑環(huán)室溫度偏高時導(dǎo)致了軸承溫升頻繁報警。

(2)滑環(huán)室風(fēng)路阻力較大，不利于滑環(huán)碳刷裝置的冷卻。

由于軸流風(fēng)機位于滑環(huán)室頂部，風(fēng)路路徑經(jīng)過了引線、碳刷裝置和滑環(huán)、碳粉過濾裝置等，整個風(fēng)路風(fēng)阻很大，風(fēng)壓逐級減小，造成通風(fēng)不暢，致使滑環(huán)室溫度較高。

(3)滑環(huán)室排碳效果較差。

通過對長期運行的電機觀察發(fā)現(xiàn)，滑環(huán)室的積碳比較嚴重，尤其在滑環(huán)室的死角處碳粉堆積明顯，而且在運行中由于風(fēng)路不通暢，造成了滑環(huán)室內(nèi)碳粉飛揚，極有可能造成滑環(huán)及碳刷裝置故障。

1.3設(shè)計要點

鑒于目前滑環(huán)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺陷，同時針對雙饋異步發(fā)電機和風(fēng)力發(fā)電機組的運行特點，我們設(shè)計了一種自冷式滑環(huán)室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

此種結(jié)構(gòu)，滑環(huán)外罩端板與端蓋間采用過渡連接，使得非驅(qū)動端軸承與滑環(huán)的工作空間隔離，同樣采用止口配合，以保證滑環(huán)室與轉(zhuǎn)軸的同心度，碳刷刷桿固定在滑環(huán)外罩端板與滑環(huán)外罩壁板之間。滑環(huán)外罩本體設(shè)計為多邊形結(jié)構(gòu)，并且在滿足防護要求的前提下，在滑環(huán)外罩的多個方向都開有通風(fēng)窗，如圖3所示。

滑環(huán)室采用自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓源是利用尾部自帶的離心式風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，風(fēng)路路徑由滑環(huán)外罩壁板的內(nèi)圓做導(dǎo)向，沿軸向從前向后(如圖2所示)，對比前述兩種結(jié)構(gòu)由吹入式變?yōu)槌槌鍪健?/p>

2　改進后的技術(shù)特點

(1)優(yōu)化的風(fēng)路結(jié)構(gòu)改善了滑環(huán)室的散熱效果。

自冷式滑環(huán)室結(jié)構(gòu)采用了一個軸帶的離心式風(fēng)機，其位于滑環(huán)室的末端，正對滑環(huán)室的出風(fēng)口，利用電機轉(zhuǎn)速高和離心式風(fēng)扇風(fēng)壓大的特點，避免了由于碳粉過濾盒風(fēng)阻大使滑環(huán)室風(fēng)量減小的缺陷，同時因為滑環(huán)室存在多個進風(fēng)口，減小了進風(fēng)風(fēng)阻，同時一定程度避開了機艙內(nèi)某一部件發(fā)熱對滑環(huán)室造成的影響，從而有效的降低了滑環(huán)室的溫度，提高了滑環(huán)裝置整體運行的可靠性。

(2)過渡式的滑環(huán)外罩連接結(jié)構(gòu)避免了滑環(huán)室溫度對軸承的影響。

自冷式滑環(huán)室結(jié)構(gòu)采用了與端蓋過渡式的連接結(jié)構(gòu)，使滑環(huán)室與軸承組在空間上隔開，防止了滑環(huán)室溫升對軸承的影響，同時面向軸承組的滑環(huán)室端板為滑環(huán)室的進風(fēng)口，在一定程度上對軸承組起到了冷卻的作用。

(3)多邊形的外罩結(jié)構(gòu)減少了碳粉的堆積，利于碳粉收集。

自冷式滑環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)的滑環(huán)外罩采用了多邊形結(jié)構(gòu)，同時采用了抽出式的風(fēng)路設(shè)計，使風(fēng)路在滑環(huán)室內(nèi)部不會因存在死角而形成回流，也不會引起碳粉飛揚的現(xiàn)象，保證了良好的排碳效果，避免了由于碳粉堆積對滑環(huán)及碳刷造成的影響，提高了滑環(huán)運行的可靠性。

試驗表明，自帶離心式風(fēng)扇的滑環(huán)外罩結(jié)構(gòu)其風(fēng)量比原頂置滑環(huán)風(fēng)機大，而風(fēng)阻要小，對滑環(huán)室的冷卻效果及碳粉收集效果具有明顯的改善，如圖4為采用新結(jié)構(gòu)的電機在正常運行一段時間，單獨拆下滑環(huán)外罩后，滑環(huán)外罩內(nèi)碳粉分布情況。

3　結(jié)語

通過在某型電機上的試制應(yīng)用，試驗結(jié)果表明：自冷式滑環(huán)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)有效改善了滑環(huán)室的冷卻效果和積碳現(xiàn)象，改善了滑環(huán)裝置的運行環(huán)境，避免了滑環(huán)室溫升對軸承組的影響，降低了滑環(huán)裝置及軸承的故障率，提高了電機的可靠性。

[1]陳世坤.電機學(xué). 北京：機械工業(yè)出版社， 2000.

[2]E·維德曼.電機結(jié)構(gòu). 北京：機械工業(yè)出版社， 1976.

[3]徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

Design on Wind Path Structure of Self-Cooled Slip Ring

Yin Hao, Hou Zhuoqin, and Wen Junwei

(CSICElectricalMachineryScience&TechnologyCo.,Ltd.,Taiyuan030027,China)

According to analysis of slip ring chamber structure commonly used in wind power product, and a wind path structure of self-cooled slip ring is introduced as for some problems existing in its running process, structure characteristics and technical advantages are introduced. It is verified that the structure can meet design requirements, improve working environment of the slip ring and carbon brush gear and achieve good effect.

Wind power；doubly-fed induction generator；slip ring chamber；carbon powder collection

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.05

TM303.5

A

1008-7281(2016)04-0015-003

尹浩男1982年生；畢業(yè)于中北大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計工作.

2016-03-18