江苏中车电机公司李华：风力发电机可靠性设计制造关键技术

9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

江苏中车电机有限公司风电技术研发部经理李华出席大会并发表了题为《风力发电机可靠性设计制造关键技术》的主旨演讲。以下为发言全文：

李华：各位领导、各位专家、各位同仁，大家下午好！非常荣幸能够进入咱们这个平台跟大家一起交流和分享，也感谢刚才的介绍，下午这个场刚开场的时候黄总也说了，咱们从机械传动链和电动传动链两个环节向大家介绍一下整个风电机组这几个大的部件可靠性设计和关键的一些技术。我们风力发电机作为从机械到电能的转换的一个关键部件它的可靠性也非常重要，所以说借这个机会我也想跟大家分享一下我们公司在风力发电机设计当中的可靠性和制造的一些关键的技术。

我的报告主要分四个部分。

第一部分，公司概况。江苏中车电机公司是中车电机公司的主要子公司，下面有六个基地，包括包头、哈密、大丰、株洲、福清、阳江。公司前身是1961年成立的铁道部田心机车车辆工厂电机车间，中国中车全资一级子公司，除了陆外的风电板块以外我们还包括新兴产业，包括新能源的汽车，军工、船舶工业电机等。主要承担的是风力发电机的研发和制造，2018年销售收入达到37个亿，刚才介绍了江苏电机总共有6个基地，从我们分布的图来看，我们几个基地的分布可以看得到我们产业的一个战略布局，我们包头、哈密，主要是陆内的一些风力发电机，当然我们株洲基地也在做6兆瓦到8兆瓦的海上风电，其他是面向海上的风，然后阳江基地也是一样。同时包括我们的南昌基地主要承担的是机舱的产业。从我们公司的历程来看我们03年进入风电产业，2004年开始研发设计750千瓦的电机，从05年开始进入永磁电机的时代，07年开发出了1.65兆瓦的发电机，这个也是借助我们的引进消化吸收再创新，我们从05年开始就开发了总速电机，从此我们开始建立了异步、直驱、风冷等产业布局，我们海上风电有6兆瓦的直驱电机，以及后面开发的一些产品，比如说2兆瓦风力发电机和2兆瓦低速电机。

2019年我们正在开发的是8兆瓦直流电机，同时在这里向大家宣布一下我们在2020年准备开发10兆瓦级风力发电机，包括直驱产品和风速产品，这也是为我们海上风景做足了基础，同时根据我们前面的风电研发的历程，我们也把自己的产业平台建立起来，主要包括三大板块，一个是永磁、双馈、异步电机，等级有覆盖了从1兆瓦到8兆瓦的等级。我们公司还有发动机的实验，当然不仅仅局限于发电机本身的实验，还有配套的实验等等都是为了支撑我们这个产业能够高质量的发展。也能够支撑我们电机的产品向高可靠性迈进。

第一部分关键技术介绍。从我们风电行业的发展趋势来看特别是从我们前面的“十二五”一直到现在的“十三五”因为“十三五”接近尾声了，从“十三五”三北地区的风电开发，到我们十三五期间开发的，以及我们十二五期间初步涉猎海上风电到十三五大面积涉猎海上风电开发，随着国家的政策也发展的特别好，特别是我们低速风驱它的风资源占到我们国内资源的68%，是特别的客观，所以说这块的风区我们也是开发，我们的产品也是针对这个板块，针对这个风驱的条件和环境进行特殊性的制造，同时还有海上风电，随着我们十四五的到来，海上风电也进入了一个抢装期，现在也看到陆上风电抢装期到2020年，海上风电也是到2020年。通过低速风区和海上风区特殊的环境要求，要求我们设计开发的时候要考虑高可靠性以及防腐和维护设计。首先是从1兆瓦到现在的6兆瓦到8兆瓦10兆瓦，以传统的单套到两套再到四套，我们的分散设计无形当中也提升了我们产品的可靠性，一套扰组发生故障的时候另外几套还可以同时运行，这也是符合我们大风力电机模块设计，当一块出现故障的时候特别是海上风电为了保障还持续发电因为有一个维护的窗口期，我们会保障发电机在这个阶段依然稳定运行，我们设计的时候考虑到同时供电的时候，它的运行的情况，比如说谐波，也会按照我们客户和业主的要求进行设计，这个我们都是有所考虑得。

第二个是关键部件的可靠性，其中一个是磁集，作为永磁电机来讲是一个非常关键的部件，可以说是我们永磁电机的心脏，可以说对永磁体的防护我们是特别关心。第一个是永磁体的装配。不管是表体式的固定还是内式的固定，我们都会进行大量的验证，包括冷热冲击、浸水实验等，当然永磁电机很多业主考虑它的续磁，我们也会进行热态的一个短路测试，为了保证电机在塔上能够安全可靠的运行。

第二个关键部件就是我们的绝缘系统。我们公司也具备绝缘的实验能力，我们有国家级的实验室，有盐雾实验箱，湿热试验箱。通过本身的设计再到发电机再包括我们的整个测试，最终验证我们整个绝缘系统是符合我们客户和业主的要求，同时我们也进行第三方检测，对于海上产品我们不仅要进行盐雾实验也要进行霉菌实验。

第三个大的部件就是轴承的设计。轴承大家比较关心的就是轴电流对轴承的损伤再一个是大载荷的施压，再一个是密封性导致的电机可靠性的运行。首先第一个就是防止轴电流，我们通过接地装置再加上绝缘轴承座的方式，使我们不经过轴承。再一种结构就是通过断路的形式，我们也无形中增加了轴承和地之间的一个连组，再一个就是通过特殊的设计，防止轴承藏其运行的电瓦化和电腐蚀。我们现在在做的，特别是中速电机我们做了一系列的实验，现在的轴电压可以控制在零点几伏每平方的电流密集，按照我们规范来看，控制在0.1安就是个很不错的，我们可以达到零点几号安。我们双馈电机是放在电极和齿轮之间的位置，这样可以保证轴承上的载荷不会超过特别大，一般设置1.5到1.7倍，同时我们在进行发电机本题设计的时候也是考虑从电器角度，比如说发电机的电磁力，能不能通过电磁力的反向设计有意识的把发电机倾斜5度，再一个就是密封型设计，我们在发电机的设计当中特别是对于润滑轴承，我们迷宫结构，这样一来有效的保证我们绝缘的缓解。当然我们的绝缘也进行了大量的耐油性的实验和耐我们齿轮箱油包括我们液压油一系列的实验。

下一个就是滑环，我们采用的是环氧浇注式，同时采用的是高强度的不锈钢导电环，适应海上盐雾环境。发电机冷却器，位于整个发电机组的外面，在海上情况下，是直接面向海上高盐度高湿度的环境，所以我们设计的是采用模块化时间，包括心组也是一样，其中一个模块出现失效在塔上进行维护更换，不会对整个发动机出现问题。

再一个就是发电机的智能设计，配套我们这边的主控以及业主这边的一个智能控制，我们会在电机各个部件上面根据我们主控的一些要求增加很多的传感器，包括温度传感器，轴承监控，智能监控，还有加热器的智能控制等，当然我们公司现在在研制的大功率电机也会考虑转子本身的跟定子之间的一个气息变化，特别是热态情况下，这一系列的振动检测包括它的气息检测都是为了保证我们产品在风场运行的时候可靠性同时也配套我们机组实现我们智能控制。

第二部分风力发电机的高可靠性设计。

1、5兆瓦发电机，这款产品是3300伏的中压，发电机和齿轮箱机制在一起，发电机具有高度集成，这款产品的转子是永磁体结构，可以具备塔上维护，这个当时是跟客户进行了多轮沟通，我们自己内部也进行了工艺设计，最终实现了发动机技术，这个我们通过实验以后它的效果是非常好的。它的主要是包括一个是高压绝缘系统的设计，我们采用的是环氧酸干系统设计，第二个是海上防腐设计，同时我们采用的是环保结构，发动机的主机顶盒采用的是密封模块电缆变径的方式，很好的密封和电缆和机顶盒之间的间歇，同时，电器连接采用的是软铁排过渡电缆连接，同时采用了VDA6.3标准，当时满足欧盟，按照汽车行业的标准，当然我们会把里面符合风电产业，风电产业的一些条条框框拿出来进行对标。这个刚才讲过了本身具备塔上维护，同时也经过了第三方检测和我们自己的盐雾实验。

2、这款产品是低压产品，是690伏，这款产品额定功率是7600兆瓦，当然我们在实验当中达到了8000兆瓦，起动扭炬只有0.003，绝缘等级是H级，整个传动链的占用的空间非常小，重量也非常的轻，这款发动机的效率非常高，在20%—100%的额定功率下效率均高于90%以上，同时具有很高的可维护性，振动率非常低，直电流达到了0.4毫安每平方厘，电腐蚀影响非常小。再一个就是THD达到了0.165%，所以电器性能和电器质量还是非常的高。这款机主要的设计特点和设计经验，包括一个是冗余设计，因为功率达到了7兆瓦，所以采用的是双扰组设计，包括它的振动，包括它的噪声都是满足客户的要求。同时采用的内置式的结构，我们进行了机械强度的测试，包括它的密封性测试，最终进行盐雾冷热冲击等多工况的测试以后发现一点锈蚀没有，可靠性能非常高，对于我们海上运行的恶劣状况来说非常有帮助。第二个是海上防腐设计，冷却器采用不锈钢的焊接，可以承受很大的风压，保证了我们在海上冷却器能够安全有效的运行。下一个是模块化的设计，独立轴系、冷却器组模块化，塔上更换、维护方便，冷却器、转子等多接口冷却部件设计，可在线升级。为了提升它的功率密集，我们当时在设计转子密度的时候余留了借口，当发电机达到7兆瓦功率等级的时候，如果温升有余量或者余量不够了我们可以通过在转子上增加试片的方式，我们都是余留观察口。再一个就是耐厚性的绝缘体系。

下一个是6兆瓦直驱永磁发电机研制经验。最终实现是低振动、低谐波，低噪声。也是采用的耐侯性绝缘，这款产品的智能化水平相当高，再一个就是它的耐侯性绝缘刚才也说过了，再一个是冗余设计，这种处理无形中可以提高发电机的电能质量，再一个是可以提升发电机的功率密度，在我们原来的60瓦基础上通过设计升到7兆瓦，它的重量基本上是没有增加的。这四款是我们双馈产品，一个是6级电机，一个是4级电机，发电机的额定功率是2100千瓦，额定电压是690。再一个就是滑环引风设计，省去滑环风扇，提升效率，缩小了滑环空间，结构紧凑，避免碳粉进入到轴承的位置，形成单元短路，这一系列的经验都是我们在无论是陆上产品还是海上产品积累的一些发电机的高可靠性的设计。 当然同时我们在质量保证方面也做了很多的工作，除了电机本身的设计，我们也关注发电机的一些设计的体系，质量的一些流程。

第三部分风力发电机质量保证能力。201及年ISO9001认证，2014年导入“零缺陷管理”到2015年平推IRIS体系，到2016年ISO3834焊接体系认证，2019年应用APQP，WIND，包括我们的质量平台也是随着我们的产品的发展不断的进步。

再一个就是高可靠性的管理，包括绝缘可靠性，永磁机可靠性，以及海上可靠性，我们公司的研发中心主要包括产品开发和海上开发板块，海上针对海上产品列了很多课题，包括海上产品实验，海上产品轴承的失效等等一系列的研制工作。同时我们也大力开展工作。随着我们产品平台的建设，刚才前面讲到了我们产品现在几个板块，我们现在有大量的运行经验，同时我们对我们现有的在制的大批量的产品进行完善，这样一来我们可能无形中知道我们后续批量化的产品，能够高可靠性的设计，高可靠性的运行，同时我们也会为客户提供高可靠性的服务。当然前面黄总也说了产业链，产业链产品机组的可靠性也无形中体现了电机变流器的齿轮箱，电机本身可靠性也会要求我们二级三级供应商提出他们的可靠性，一方面是我们的设计，一方面是我们的零部件厂商给我们提供部件的可靠性质量怎么所以我们会把我们的全产业链培养，也会将我们的理念和我们所推的所有的管理的流程和产品设计的理念推广到我们的产业链，推广到我们的供应商，我们也会定期的组织跟供应商一起进行技术交流，无论从成本还是质量提升还是关键技术公关都会做很多的工作，最终为了整机可靠性运行，为了机组低成本高效率的运行。

最后做一个简短的总结，我们公司现在已经形成了成熟的平台化的直驱用四发电机、半直驱永磁发电机、异步发电机等各类发电机设计、制造能力，正在研制10兆瓦级的发电机。我们会聚焦高可靠性风电、发电机技术，实现发电机定制化设计、高质量制造、高可靠性运行。为了我们十三五规划早日实现，为了我们迎接十一五战略规划做了很多工作。当然最后也讲一句，刚才前面很多领导都讲了协同，我们想借这个机会第一对我们公司的产品进行介绍，让大家对我们有所了解，第二我们也想借这个机会，跟我们的齿轮便六器厂家进行一个深入的沟通，谢谢大家。

（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）