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摘要：胶黏剂的选择对直驱永磁风力发电机的磁极防护至关重要。本文通过一系列常规及特殊环境测试，研究了杜邦聚氨酯胶黏剂3200：5132的机械性能；同时改善磁极防护工艺并制作样件，开展模拟产品环境试验，验证分析了磁极防护结构的环境适应性及工艺可行性。
关键词：海上风力发电机；磁极防护；灌封树脂；盐雾试验
0 引言
海上气候环境恶劣，高温、高湿、高盐雾等因素对风电机组防腐性能提出了严苛的要求[1-4]。由于海洋环境的特殊性，海上风电机组维护非常困难，运维成本也远远高于陆上风电场。因此，质量可靠性是决定海上风电产品成功与否的关键[5]。转子磁极防护是直驱永磁发电机的关键技术之一，其可靠性将决定发电机能否长期安全可靠运行。诸如磁钢脱落、磁钢生锈等故障将会造成机组故障，使机组无法进行正常工作，甚至导致整个发电机报废。
目前，“压板+灌封树脂粘接”固定的磁极防护结构在内陆型直驱永磁风力发电机上得到了广泛应用，但是能否适应高湿高盐雾环境的海洋环境，则需要进行试验验证。本文通过对杜邦胶黏剂3200：5132以及使用该胶黏剂灌封防护的磁极样件进行了一系列试验，验证分析了磁极防护结构的海洋环境适应性及工艺可行性。
1 灌封树脂的选取
1.1 杜邦胶黏剂的粘结机理
如图1所示，杜邦3200树脂（含有羟基的聚酯）在5132固化剂（芳香族聚异氰酸酯）的作用下，发生化学交联反应形成三维网状结构，最终依靠范德华力和物理氢键实现对基材的粘接。
图1 聚氨酯反应机理
聚氨酯胶粘剂对湿气比较敏感，因为固化剂与水反应时会产生CO2，影响储存期和固化速度，并导致固化后胶体中有气泡，影响粘接性能以及防护效果[6]。因此在使用时需要严格控制环境温度和湿度，并对胶体充分搅拌排气。
1.2 常规物理性能检测
胶黏剂的常规物理性能试验包括拉伸剪切强度试验和抗剪切强度试验，分别按GB/T 7124-2008和GB 7749-87进行。试验分室温和高温（100℃）两种工况。考虑到转子磁轭材料，胶黏剂样件材料取Q345D。试验结果统计见图2。
图2杜邦胶黏剂常规性能试验对比
由图2可知，以中间值作为试验结果，常温下杜邦胶黏剂3200：5132的拉伸剪切强度约9.8MPa，抗劈裂强度约155MPa；随着温度的升高，胶黏剂的强度将明显下降，在100℃高温时，其拉伸剪切强度降低至0.65MPa，抗劈裂强度降低至约32MPa。
1.3环境试验
胶黏剂的环境试验以拉伸剪切强度为评判指标，包括冷-热冲击、交变盐雾、长时低温、长期浸水和耐弱酸性溶液等试验。根据海上风力发电机的运行环境，几种试验的要求如表1所示，试验结果如图3所示。
由图3可知，在各种环境因子中，胶黏剂的耐交变盐雾能力最为突出，这也是海上运行环境所需要的，其它环境因子下胶黏剂性能基本相当。试验表明了杜邦灌封树脂3200：5132具有良好的耐候性。
2 磁极防护工艺分析
2.1 磁极防护结构
如图 4所示，将楔形的压板用螺栓紧固在磁轭上，形成一道道“‖”结构；然后将楔形磁极（磁钢）从“‖”底部推入，楔形配合结构对磁极径向定位；磁极两端再用其它绝缘结构件固定，对磁极轴向定位。最后用灌封树脂将整个磁极结构的空隙和磁极表面填充固化，形成紧密的磁极防护结构。
图4磁极防护结构示意
2.2磁极防护工艺流程
图5为磁极防护的主要工艺流程，包括以下几个关键工艺要点：
图5磁极防护工艺流程
1）真空脱泡配胶
气泡的存在将严重影响磁极防护效果，因此使用真空搅拌容器将3200树脂与5132固化剂按工艺比例配比后，将灌封树脂抽真空进行搅拌脱泡。标准大气压环境时相对真空度约-100kPa。整个操作在18℃～25℃、空气相对湿度≤40%的储胶室内完成，搅拌时间10～15min。
2）真空注胶
将配好的胶迅速转移到注胶位置，根据发电机转子的大小确定盛胶容器的数量，所有位置同时开始注胶。注胶时应注意控制注胶速度，确保磁极表面的胶液匀速上升，防止产生气泡。整个注胶过程须保持磁极处于抽真空状态，注胶时间控制在30min以内。
3）加热固化
注胶完成后，将转子加热至50～60℃，升至该温度后，连续烘烤数小时直至灌封树脂固化。加热的同时须保持真空度处于要求范围。
2.3海洋环境下磁极防护工艺改进
对于陆地型风力发电机，磁极防护工艺一般只进行一次注胶。但对于海上风力发电机，为了提高磁极防护层的可靠性，决定改进磁极防护工艺，在一次注胶固化后8h内，再重复进行第二次注胶（见图5），最大限度地降低防护层表面的气孔或针眼。
此外，在磁极防护的质量检测方面，改进检测方法，不再简单靠肉眼检查，而是使用电火花检测仪来检测防护层表面的针眼。最后用封孔剂将这些针眼修补填充，确保最终磁极防护层能完全通过电火花检测仪的检验。
3 模拟产品环境试验
发电机在运行过程中，磁钢会受到各种电磁及机械振动，海上环境会使发电机受到盐雾和潮气等环境因子的影响，故模拟产品的试验条件需要综合发电机运行环境，影响胶粘剂的环境因子应列入产品模拟试验条件中，无明显影响的环境因子暂不列入模拟产品试验。发电机转子磁钢粘接结构的试验条件有振动、冷热冲击、盐雾、潮湿和浸水五个环境因子。
按照改进后的磁极防护工艺，制作了2个试验样件，如图6所示。
图6模拟产品环境试验样件
环境因子的试验顺序如下：
机械振动（水平振动X方向10h）→冷热冲击（6个循环）→机械振动（水平振动Y方向10h）→冷热冲击（6个循环）→机械振动（垂直振动10h）→交变盐雾（1个循环）→浸水（14天）。
以上几个因子合并为模拟产品试验的一个周期，整个试验共2个周期。其中机械振动加速度有效值为4g，频率20Hz～100Hz；冷-热冲击的高温为85℃±3℃，低温为-40℃±3℃，其它主要参数同表1。
试验后的样件见图7，磁极样件表面防护层状况良好，无脱落生锈等异常现象。
图7磁极样件环境试验后防护层表面情况
对磁极样件进行解体，拨开粘接胶，拆下磁钢，检查磁钢、磁轭等外观情况，如图8所示，所有磁极也均未出现生锈等异常现象。
图8 环境试验后磁极解体情况
可见，按改进后的防护工艺制作的磁极，可有效适应海洋气候环境，海上风力发电机的磁极防护可采用这种灌封树脂结构及生产工艺。
4 结语
相比陆上机型，海上风力发电机特殊的运行环境对磁极防护提出了更高的要求。本文通过选取几个主要的海洋环境因子，对杜邦聚氨酯胶黏剂3200：5132的耐候性进行了研究。同时对使用杜邦胶黏剂的磁极防护工艺进行了分析，并提出了应用于海洋环境的工艺改进措施。模拟产品的环境试验表明这种磁极防护结构具有可靠的海洋环境适应性。本文的研究成果对海上风力发电机的防腐设计具重要的参考价值。
参考文献：
[1]陈晓明，王红梅，刘燕星等.海上风电环境影响评估及对策研究[J].广东造船，2010，29（6）：26-31.
[2]许雪冬，黄开云.我国海上风力发电设备环境条件与环境技术要求分析[J].装备环境工程，2013（5）：36-41.
[3]林鹤云，郭玉敬，孙蓓蓓等.海上风电的若干关键技术综述[J].东南大学学报（自然科学版），2011，41（4）：882-888.
[4]黄玲玲，曹家麟，张开华等.海上风电机组运行维护现状研究与展望[J].中国电机工程学报，2016，36（3）：729-738.
[5]孙成刚，车三宏，邓方林等.海上风电机组技术路线分析及对策[J].风能，2017（6）：60-63.
[6]段虎，申亮，谢华丽等.风力发电机转子磁极盒灌封材料及工艺研究[J].微电机，2016，49（7）：87-90.
作者简介：
车三宏，男，1984年生，硕士研究生，现从事风力发电机设计及工艺技术工作。
论文作者:车三宏,邓方林,于亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/6/25
标签：磁极论文; 防护论文; 环境论文; 样件论文; 海上论文; 工艺论文; 因子论文; 《电力设备》2018年第8期论文;