CN115065205B - 一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，涉及电机再制造技术领域，包括S1：原废旧有刷变桨电机再制造性评估；S2：获取原废旧有刷变桨电机的物理属性；S3：根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数等进行优化设计；S4：将设计出的组件再制造成新的无刷变桨电机并进行性能测试。本发明提供的方案在不改变原有安装尺寸及方式的前提下，将原有刷变桨直流电机再制造成永磁无刷电机，提高了资源利用率以及电机的使用寿命。

Description

一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法
技术领域
本发明涉及电机再制造技术领域，特别是涉及一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法。
背景技术
截至2021年底，全国风电机组累计装机容量超3亿千瓦，累计并网容量2.8亿千瓦，累计装机台数超过15万台。风电还需要爆发式发展，才能满足“双碳战略”需求。随着风电装机容量的不断增大，风电机组出质保的比例逐渐增高（每年出质保的容量超过2000万千瓦），出质保机组的维修保障工作显得尤为重要。做好存量风电设备的运行、维护、修理等风电后市场服务工作，任务紧迫、前景广阔。
风电变桨电机是风电机组变桨系统的组成部分，可以实时调整叶片桨角，使风机的主轴转速始终控制在设定风速范围内，从而起到调节功率输出和风机制动作用。变桨电机单台价值高，且保有量大，每组风机都需要3个这样的小电动机，光国家电投集团2019年统计，在役风机保有量10762台，在役变桨电机总量3万多台套。但现有的分散式、随机性、小量化的维修模式无法保证废旧电机的维修质量，导致维修后的变桨电机使用寿命短，维护费用高等问题，现有技术对存在故障的变桨电机主要的处理技术手段包括：更换电刷、重新绕制电枢绕组、更换轴承等简单的对故障部位进行传统维修处理。
现有维修处理手段的缺陷如下：
首先从原变桨电机的结构上进行分析，原变桨电机为有刷结构的直流电机，有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。现有技术在处理故障变桨电机时，只是停留在简单的维修阶段，就是对原有故障零件进行更换，因其原有结构和固有属性无法改变，所以维修后的变桨电机其驱动性能、效率水平和服役寿命必然会得不到提升。另一方面，现有维修技术针对废旧的变桨电机，已无法通过维修手段满足变桨系统的控制要求，所以只能对这部分变桨电机做报废资源化处理，这样一来势必会造成大量的资源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，在不改变原有安装尺寸及方式的前提下，将原有刷变桨直流电机再制造成永磁无刷电机，提高资源利用率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，包括：
S1：原废旧有刷变桨电机再制造性评估；
S2：获取原废旧有刷变桨电机的物理属性；
S3：根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数进行优化设计；
S4：将设计出的组件再制造成新的无刷变桨电机并进行性能测试。
优选的，在步骤S2中，在没有原废旧有刷变桨电机设计图纸的情况下，对原废旧有刷变桨电机的关重件进行逆向测绘以获取其制造图纸。
优选的，对原废旧有刷变桨电机进行再制造性评估的过程如下：
从再制造产品生命周期出发，评估变桨电机各零部件的可再制造性，包括S11：现场查看废旧零部件，进行分类回收；
S12：将回收后变桨电机零部件进行拆卸，分类处理；
S13：将拆卸后的零部件进行清洗，暴露零部件的失效特征；
S14：对清洗后的零部件进行技术性检测，检测其关键性参数；
S15：根据检测到的关键性参数，评估各零部件是否符合再制造标准，对不符合再制造标准的进行环保处理。
优选的，对原废旧有刷变桨电机的关重件进行逆向测绘的过程包括：根据原废旧有刷变桨电机不同部位的反求过程，采用双目视觉系统对转子槽型、换向器、刷架和机壳几个关键部位进行测量，利用三维仿真软件构造方法进行拟合、光顺功能进行三维重构，最后通过延伸、求交、过渡、裁剪操作，得到原废旧有刷变桨电机的三维模型。
优选的，S3中根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数进行优化设计包括：
S31：外部模型导入；
S32：材料属性添加；
S33：边界条件给定；
S34：网格设置；
S35：验证；
若验证成功则进行运行并查看运行结果并优化结构；
若验证失败则需要补充条件，并重新进行步骤S32~S35。
优选的，所述废旧有刷变桨电机主要结构件包括：前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、定子钢套、散热外壳、定子磁极、电磁刹车、转子、转子电枢绕组、换向器和碳刷组件；
新设计无刷变桨电机主要结构件包括：前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、前钢套、后钢套、散热外壳、电磁刹车、定子铁芯、集中式绕组和永磁转子；
将所述原废旧有刷变桨电机中的前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、散热外壳、电磁刹车直接作为所述新无刷变桨电机的相应组件进行使用；
将所述原废旧有刷变桨电机中的定子钢套进行加工再制造为所述新无刷变桨电机的前钢套和后钢套；所述前钢套和所述后钢套分别设置于所述定子铁芯的前侧和后侧，并用于将组成定子铁芯的多个定子冲片压紧固定；
将所述原废旧有刷变桨电机中的转子通过加工再制造为所述新无刷变桨电机中的所述永磁转子；
新增所述集中式绕组、用于连接前钢套和后钢套的连接杆以及所述定子铁芯。
优选的，原废旧有刷变桨电机中的转子通过加工减小转子硅钢片的直径，并在转子硅钢片外安装永磁体形成永磁转子。
优选的，所述永磁体为径向充磁的瓦型钕铁硼，所述瓦型钕铁硼贴装于所述转子硅钢片外后再用不锈钢套进行严密包裹，最后在不锈钢套内灌装环氧树脂。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
（1）不再是简单的对原废旧有刷变桨电机中的零部件的更换维修，而是对原废旧有刷变桨电机进行无刷再制造，摒弃原电刷与换向器结构，提升变桨电机性能水平，大大降低了风电机组故障停机的风险；
（2）通过变桨电机的拓扑结构再制造设计、有刷变桨电机的无刷永磁化再制造实施，实现变桨永磁同步电机伺服系统一体化设计，摒弃原变桨电机的易损部位，如电刷和换向器，从而提高整体变桨电机的寿命。
（3）原废旧有刷变桨电机大部分材料得到充分利用，将废旧的或低效的零部件重新构思，如：原变桨电机前后端盖、转子转轴、部分硅钢片、外壳、轴承、电磁刹车等关键零部件，在经过再制造测绘环节后，符合要求的可得到充分利用，大大节省了资源。
（4）新增加了低损耗冷轧定子硅钢片和高矫顽力钕铁硼磁瓦，重新设计了低谐波绕组结构，用于减小转子转动惯量的轻量化设计，重构磁瓦布局方式用于减小齿槽转矩等等设计措施，使再制造的变桨电机既实现了功能的升级，同时也大幅提升了原有刷结构变桨电机的节能水平。
（5）因再制造前后供电方式没有改变，仍为直流供电，只需改变原有刷变桨电机控制器控制算法，即可实现再制造变桨电机与原控制器的兼容运行，降低了再制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为废旧有刷变桨电机的再制造流程图；
图2为变桨电机再制造评估流程图；
图3为再制造变桨电机关重件尺寸反求流程图；
图4为变桨电机再制造设计流程图
图5为新无刷变桨电机结构爆炸图；
图6为原废旧有刷变桨电机结构爆炸图；
图7为原废旧有刷变桨电机转子铁芯结构示意图；
图8为新无刷变桨电机转子铁芯结构示意图；
图9为永磁转子的结构爆炸图；
图10为定子冲片的结构示意图；
图11为前钢套、后钢套以及连接杆装配示意图；
图中：11、转子；111、原废旧有刷变桨电机转子铁芯；112、新无刷变桨电机转子铁芯；12、转子电枢绕组；13、换向器；14、碳刷组件；15、连接杆；21、前端盖；22、后端盖；31、前钢套；32、后钢套；41、前轴承；42、后轴承；5、定子铁芯；51、集中式绕组；52、定子冲片；6、永磁转子；61、电机转轴；62、永磁体；63、部分原转子剩余硅钢片；7、散热外壳；8、电磁刹车；9、定子钢套；10、定子磁极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，在不改变原有安装尺寸及方式的前提下，将原有刷变桨直流电机再制造成永磁无刷电机，提高资源利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，如图1~图11，包括：
S1：原废旧有刷变桨电机再制造性评估；
S2：获取原废旧有刷变桨电机的物理属性；
S3：根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数进行优化设计；
S4：将设计出的组件再制造成新的无刷变桨电机并进行性能测试。
本发明提供的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法不再是简单的对原废旧有刷变桨电机中的零部件的更换维修，而是对原废旧有刷变桨电机进行无刷再制造，摒弃原电刷与换向器13，提升变桨电机性能水平，大大降低了风电机组故障停机的风险。
进一步的，在步骤S2中，在没有原废旧有刷变桨电机设计图纸的情况下，对原废旧有刷变桨电机的关重件进行逆向测绘以获取其制造图纸；对原废旧有刷变桨电机的关重件进行逆向测绘的过程包括：根据原废旧有刷变桨电机不同部位的反求过程，采用双目视觉系统对转子槽型、换向器13、刷架和机壳几个关键部位进行测量，利用三维仿真软件构造方法进行拟合、光顺功能进行三维重构，最后通过延伸、求交、过渡、裁剪操作，得到原废旧有刷变桨电机的三维模型。
进一步的，对原废旧有刷变桨电机进行再制造性评估的过程如下：
从再制造产品生命周期出发，评估变桨电机各零部件的可再制造性，包括S11：现场查看废旧零部件，进行分类回收；
S12：将回收后变桨电机零部件进行拆卸，分类处理；
S13：将拆卸后的零部件进行清洗，暴露零部件的失效特征；
S14：对清洗后的零部件进行技术性检测，检测其关键性参数；
S15：根据检测到的关键性参数，评估各零部件是否符合再制造标准，对不符合再制造标准的进行环保处理。
进一步的，S3中根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数进行优化设计包括：
S31：外部模型导入；
S32：材料属性添加；
S33：边界条件给定；
S34：网格设置；
S35：验证；
若验证成功则进行运行并查看运行结果并优化结构；
若验证失败则需要补充条件，并重新进行步骤S32~S35。
进一步的，废旧有刷变桨电机主要结构件包括：前端盖21、后端盖22、前轴承41、后轴承42、定子钢套9、散热外壳7、定子磁极10、电磁刹车8、转子11、转子电枢绕组12、换向器13和碳刷组件14；
新设计无刷变桨电机主要结构件包括：前端盖21、后端盖22、前轴承41、后轴承42、前钢套31、后钢套32、散热外壳7、电磁刹车8、定子铁芯5、集中式绕组51和永磁转子6；
将原废旧有刷变桨电机中的前端盖21、后端盖22、前轴承41、后轴承42、散热外壳7、电磁刹车8直接作为新无刷变桨电机的相应组件进行使用；
将原废旧有刷变桨电机中的定子钢套9进行加工再制造为新无刷变桨电机的前钢套31和后钢套32；
将原废旧有刷变桨电机中的转子通过加工再制造为新无刷变桨电机中的永磁转子6；
新增集中式绕组51、用于连接前钢套31和后钢套32的连接杆15以及定子铁芯5；前钢套31和后钢套32分别设置于定子铁芯5的前侧和后侧，并用于将组成定子铁芯5的多个定子冲片52压紧；连接杆15设置有6个，连接杆15优选为M8高强度紧固螺件，连接杆15的两端分别螺纹连接于前钢套31和后钢套32上，连接杆15对定子铁芯5所施加的紧固力使得所组成的新变桨电机组件，既充分利用了原零部件，有使其整体结构强度得到升级。
进一步的，原废旧有刷变桨电机中的转子铁芯111通过加工减小转子硅钢片的直径形成新无刷变桨电机转子铁芯112，并在转子硅钢片外安装永磁体62形成永磁转子6。
进一步的，永磁体62为径向充磁的瓦型钕铁硼，瓦型钕铁硼贴装于转子硅钢片外后再用不锈钢套进行严密包裹，最后在不锈钢套内灌装永磁电机专用环氧树脂。设置不锈钢套以及灌装环氧树脂的目的是为了增强永磁转子6的结构强度，进而增强其使用寿命，磁钢（即瓦型钕铁硼）尺寸按电磁方案要求最终设计成弧心角72°、磁钢轴向长度50mm、厚度4mm的瓦型磁钢。每块磁钢沿轴向紧密分布，沿周向均匀分布成4个极。
进一步的，变桨电机定子冲片52采用新型冷轧硅钢片在配以完美槽型配合，使其再制造后的边间电机能耗水平得到大幅提升，相比原有刷结构，再制造后变桨电机节电率可达到5%左右，节能减排效益明显。
用推理方式推导出本发明的优点
首先从原变桨电机的结构上进行分析，原变桨电机为有刷结构的直流电机，有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器13。直流电源的电能通过电刷和换向器13进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器13的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。风力发电机组为保持输出功率恒定，需要时刻改变三个桨叶的迎风角度，这就需要变桨电机频繁的正反转、高低速的运转，根据原变桨电机有刷结构原理分析不难看出，原有刷变桨电机明显存在诸多隐患风险。
本发明的主要优点在于：
（1）不再是简单的对原废旧有刷变桨电机中的零部件的更换维修，而是对原废旧有刷变桨电机进行无刷再制造，摒弃原电刷与换向器13结构，提升变桨电机性能水平，大大降低了风电机组故障停机的风险；
（2）通过变桨电机的拓扑结构再制造设计、有刷变桨电机的无刷永磁化再制造实施，实现变桨永磁同步电机伺服系统一体化设计，摒弃原变桨电机的易损部位，如电刷和换向器13，从而提高整体变桨电机的寿命。
（3）原废旧有刷变桨电机大部分材料得到充分利用，将废旧的或低效的零部件重新构思，如：原变桨电机前后端盖22、电机转轴61、部分硅钢片、外壳、轴承、电磁刹车8等关键零部件，在经过再制造测绘环节后，符合要求的可得到充分利用，大大节省了资源。
（4）新增加了低损耗冷轧定子硅钢片和高矫顽力钕铁硼磁瓦，重新设计了低谐波绕组结构，用于减小转子转动惯量的轻量化设计，重构磁瓦布局方式用于减小齿槽转矩等等设计措施，使再制造的变桨电机既实现了功能的升级，同时也大幅提升了原有刷结构变桨电机的节能水平。
（5）因再制造前后供电方式没有改变，仍为直流供电，只需改变原有刷变桨电机控制器控制算法，即可实现再制造变桨电机与原控制器的兼容运行，降低了再制造成本。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：包括：
S1：原废旧有刷变桨电机再制造性评估；
S2：获取原废旧有刷变桨电机的物理属性；
S3：根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数进行优化设计；
S4：将设计出的组件再制造成新的无刷变桨电机并进行性能测试；
所述废旧有刷变桨电机主要结构件包括：前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、定子钢套、散热外壳、定子磁极、电磁刹车、转子、转子电枢绕组、换向器和碳刷组件；
新设计无刷变桨电机主要结构件包括：前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、前钢套、后钢套、散热外壳、电磁刹车、定子铁芯、集中式绕组和永磁转子；
将所述原废旧有刷变桨电机中的前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、散热外壳、电磁刹车直接作为新无刷变桨电机的相应组件进行使用；
将所述原废旧有刷变桨电机中的定子钢套进行加工再制造为所述新无刷变桨电机的前钢套和后钢套；
将所述原废旧有刷变桨电机中的转子通过加工再制造为所述新无刷变桨电机中的所述永磁转子；
新增所述集中式绕组、用于连接所述前钢套和所述后钢套的连接杆以及所述定子铁芯，所述前钢套和所述后钢套分别设置于所述定子铁芯的前侧和后侧，并用于将组成定子铁芯的多个定子冲片压紧固定。
2.根据权利要求1所述的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：在步骤S2中，在没有原废旧有刷变桨电机设计图纸的情况下，对原废旧有刷变桨电机的关重件进行逆向测绘以得到其制造图纸。
3.根据权利要求1所述的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：对原废旧有刷变桨电机进行再制造性评估的过程如下：
从再制造产品生命周期出发，评估变桨电机各零部件的可再制造性，包括S11：现场查看废旧零部件，进行分类回收；
S12：将回收后变桨电机零部件进行拆卸，分类处理；
S13：将拆卸后的零部件进行清洗，暴露零部件的失效特征；
S14：对清洗后的零部件进行技术性检测，检测其关键性参数；
S15：根据检测到的关键性参数，评估各零部件是否符合再制造标准，对不符合再制造标准的进行环保处理。
4.根据权利要求2所述的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：对原废旧有刷变桨电机的关重件进行逆向测绘的过程包括：根据原废旧有刷变桨电机不同部位的反求过程，采用双目视觉系统对转子槽型、换向器、刷架和机壳几个关键部位进行测量，利用三维仿真软件构造方法进行拟合、光顺功能进行三维重构，最后通过延伸、求交、过渡、裁剪操作，得到原废旧有刷变桨电机的三维模型。
5.根据权利要求1所述的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：S3中根据原废旧有刷变桨电机的制造图纸或逆向测绘数据，利用数值解析有限元的设计思路，对再制造无刷变桨电机的电磁方案、结构性能参数进行优化设计包括：
S31：外部模型导入；
S32：材料属性添加；
S33：边界条件给定；
S34：网格设置；
S35：验证；
若验证成功则进行运行并查看运行结果并优化结构；
若验证失败则需要补充条件，并重新进行步骤S32~S35。
6.根据权利要求1所述的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：原废旧有刷变桨电机中的转子铁芯通过加工减小转子硅钢片的直径，并在转子硅钢片外安装永磁体形成所述永磁转子。
7.根据权利要求6所述的废旧有刷变桨电机延寿再制造方法，其特征在于：所述永磁体为径向充磁的瓦型钕铁硼，所述瓦型钕铁硼贴装于所述转子硅钢片外后再用不锈钢套进行包裹，最后在所述不锈钢套内灌装环氧树脂。
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