文：贾新民、何利志 中船重工(重庆)海装风电设备有限公司
0、前言
风力发电机在风场运行过程中，经常因发电机轴承温度超温而导致控制系统故障。当该故障发生时，风力发电机往往采取降功率运行或者停机等待等措施进行处置。这不仅降低了风机风能利用率降低，造成能量方面的浪费，同时也减少了风机的发电量，导致经济效益下降。为了减少或消除该故障现象的发生，就必须从原理上对引起发电机轴承温升的原因进行分析，从而才能得出有效的控制方法。
理论分析
2MW 双馈发电机结构示意图
从2MW 双馈发电机的安装结构看出，发电机轴承安装在发电机内部。通常机舱内部温度较低，因此轴承热量来源主要包括轴承运转过程中自身产生的热量和轴承外部热源传导所得到的热量。
1. 轴承运转过程自身产生的热量
1.1 轴承自身产生的热量
轴承自身产生的热量是由轴承高速旋转，内外圈之间相互运动造成的摩擦而产生的热量。根据能量守恒定律，产生热量的大小于摩擦力造成能量损失相等。因此对摩擦力做功进行分析可以得出轴承摩擦产生的热量。摩擦力做功公式如下：
P热=Q热/t= fs/t=μNs/t=μNv
f—摩擦力
N—轴承受到压力
s—相对移动距离
μ—内外圈于滚珠和滚柱间的摩擦系数
t—运行时间
v—轴承内外圈的相对转速(转子转速)
1.2 摩擦系数μ
摩擦系数μ 的大小主要有作相对运行物体接触面表面的粗糙度决定，当轴承加工完成后，接触面表面的粗糙度大小就已经决定。为了减小接触面的 粗糙度，通常在轴承运行过程中添加润滑脂，通过润滑脂改善接触面的粗糙度，从而减小摩擦系数。
1.3 轴承受到压力N
2MW 发电机安装的轴承为滚珠深沟轴承，对其在Y、Z 轴方向上的压力进行分析：
轴承受力分析图中，G 重为发电机转子重量分布在该轴承上的重力，其大小有发电机自身特性所决定;F 离为转子旋转过程中产生的离心力(在发电机设计时转子重心与轴承中心重合，无离心力。但生产过程中因加工公差的存在，两中心不可能完全重合，因此转子在旋转过程中就产生了离心力)。根据离心力公式：
F离=ω2r
ω—转子转速
r—转子重心于轴承中心的偏差距离
影响离心力大小的主要因素为转子的转速和两个中心的偏差距离。因离心力方向的不确定性，使轴承受到的压力称规律性变化。但当轴承内外圈间的游隙和窜动量大于设计值时，内外圈间存在异常摩擦力，使轴承在X 轴上产生压力。导致轴承总的受力值变大。导致产生的热量增加。
1.4 轴承自身的热量损耗
发电机轴承外圈于发电机外壳紧配合，因此轴承产生的热量可以通过传导的方式向外散热，同时润滑脂充满轴承内部，因此也可以通过润滑脂向发电机客体散热，以来减少热量的集聚，造成轴承温度升高。
综合上述，轴承自身产生的热功率主要有发电机的转速、转子重心于轴承中心的偏差距离、润滑脂的特性和多少以及发电机的安装质量决定。
2. 轴承外部热源传导所得到的热量
轴承外部传导所得到的热量是由发电机运转过程中自身产生的热量、发电机水冷器散失的热量和发电机外壳对机舱周围环境中辐射的热量损失的绝对值。
2.1 发电机运转过程中自身产生的热量
根据发电机设计理论，发电机运行过程中产生的热量主要来源于发电机的铜耗Pcu、铁耗PFe、机械损耗Pj 附加损耗Pz
2.1.1 铜耗 Pcu。一般认为铜耗主要有转子回路的铜耗和励磁回路的铜耗组成。
转子回路的铜耗包括转子铜材绕组的的电阻及个串联绕组的电阻,励磁回路的铜耗励磁绕组铜材的电阻及外串的调节电阻组成。一般以下列公式计算：
Pcu=Pcus+Pcuf=Is2 Rs+If2 (Rf+Rp)
Is—转子回路的总电流
Rs—转子回路的总电阻
Rf—励磁绕组的总电阻
Rp—外串的调节电阻
If—励磁绕组回路的总电流转子回路的总电阻、励磁绕组的总电阻和外串的调节电阻在电机设计完成后是固定不变的。因此电机铜耗主要有励磁回路的电流和转子回路电流的大小决定的。
2.1.2 铁耗PFe。铁耗主要包括涡流损耗和磁滞损耗两个部分组成。二者皆与磁通交变频率f 及磁密Bm有关。一般以下列公式计算：
PFe=Pe+Pf=KP1/50(f/50)βB2mGf
K—为修正系数对于齿部K=2.4~4.0;对于扼部 K=1.7~2.0;
P1/50表示Bm=1 Wb/m2 及
f=50HZ 时每千克硅钢片的损耗;
P1/50=1.05~2.5W/Kg
β—β=1.2~1.6
Gf—为铁的重量
2.1.3 机械损耗Pj。主要包括碳刷与换向器的摩擦损耗以及转子旋转部分与空气的摩擦损耗。这项损耗主要与发电机转速有关。
2.1.4 附加损耗PZ。该损耗包括其他原因引起的附加损耗，通常根据经验附加损耗估算为额定损耗的(0.5~1.0)%。
综上所述， 发电机的铜耗Pcu随电流的大小而变化，因此该损耗为可变损耗;发电机 的铁耗PFe、机械损耗Pj 和发电机的转速有关。针对风力发电机因自然风速的不确定性导致了发电机的转速的不确定性，因此这两项损耗均为可变损耗。
2.2 发电机水冷器散失的热量
水冷器从发电机内吸收的热量通过冷却液将热量排出机舱。水冷器吸收的热量等同于冷却液吸收的热量。根据辐射热量准数公式：
e-(al/λ)(aτ/l2)=(tf-te)/(tf-to)
a—空气热量传输系数
l—定型尺寸
λ—导热系数(冷却液)
τ—水冷器散热器的容积与冷却液流量的比值
te—冷却液排除水冷器时的温度
to—冷却液进入水冷器时的温度
tf—发电机内部环境温度在冷却器、冷却介质和辐射介质固定的情况下，水冷器从发电机内吸收的能量于冷却液的流量成正比。并于冷却液的传热系数和散热器表面的灰度有关。
2.3 发电机外壳对机舱周围环境中辐射的热量
发电机除了通过水冷器想歪散热外还通过外壳向外界辐射散热。根据热量辐射公式：
Q=CM △ T
Q—发电机外壳向外界辐射的热量
C—比热
M—通过发电机外壳的空气流量
△ T—发电机外壳的温将通过外壳向外界的辐射热量于空气流量成正比。并于发电机外壳的灰度有关。
3. 结论
通过对轴承温度热量的分析，结合实际情况得出的控制方法有：
(1)针对轴承自身产生的热量，在实际运行过程中，一般采用在轴承间添加润滑脂的方式来减小摩擦系数。在润滑脂型号确定后，一般来说润滑脂的性能已经确定。但在运转过程中，因使用环境已污染润滑脂，降低其使用效果，因此在实际使用过程中对润滑脂应及时进行更换或补充。
(2)通过提高发电机的装配质量来减小发电机转子重心于轴承中心的偏差距离、保证轴承内外圈间的游隙和窜动量符合设计值。以减少轴承自身的发热量。
(3)针对轴承外界传导的热量，发电机产生的热量主要有励磁回路的电流、转子回路的电流、发电机转速和发电机使用的硅钢片重量决定。在发电机励磁和转子回路的电压恒定前提下，电流的大小主要有回路中的电阻决定。因此通过控制两个回路的电阻达到控制电流的目的。两个回路的电阻主要有组成回路的元器件的质量决定。因此控制发电机组成零部件的质量是减小发电机发热量的关键。
(4)针对发电机散失的热量，可以通过提高冷却液的流量、冷却液的传热系数、机舱内空气的交换流量和发电机外壳的灰度来进行控制。因此发电机在运行过程中，冷却液易被外界污染，导致传热系数改变，同时冷却液的量也易减少。因此应对冷却液的量和质量进行关注，避免因冷却液原因导致减少热量的传递。同时应及时清理发电机外壳上的灰尘和异物，避免灰尘对散热的影响。
原标题：2MW双馈风力发电机轴承温升控制方法分析
