摘要：风力发电机是风力发电组件中重要组成部分，在风场运行过程中，经常因轴承温度过高造成控制系统故障。当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进行处置。 这不仅降低了风机风能利用率，也减少了发电量，导致经济效益下降。为了减少或消除该故障的发生，必须对引起发电机轴承温升的原因进行分析，制定有效的控制方法。
关键词：风力；发电机；轴承；温升
双馈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发生的热量和轴承外部热源传导所得到的热量。
一、发电机轴承温度升高原因
1.1 轴承运转过程中自身发生的热量
1.1.1发电机轴承运转过程造成温度升高
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。若不考虑能量损失，则轴承与转子之间摩擦力做功与产生的热量相等。根据物理学公式Q=W=μNs。
1.1.2 摩擦系数
μ为摩擦系数，与接触面的粗糙程度决定，对发电机而言，与内外圈滚珠和滚柱间的粗糙程度有关，轴承在完工出厂后，其粗糙面程度已经确定，减小摩擦系数的方法只能在轴承与滚柱之间添加润滑脂。
1.1.3 轴承受到的压力
N为轴承受到的压力；s为轴承运动的相对距离，由轴承半径、转速、运行时间决定。 轴承所受到的压力由两部分组成，一部分为转子分布在轴承上的重力，另一部分为转子在旋转过程中产生的离心力。离心力的产生主要是转子重心与轴承重心无法完全重合造成的。离心力计算公式为F离=ω2r（ω：转子转速，r：转子重心于轴承中心的偏差距离）。由公式可知，转子的转速和两个中心的偏差距离是影响离心力大小的主要因素。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，产生的热量增加。
1.1.4 轴承自身的热量
发电机轴承外圈与发电机外壳相连，轴承产生的热量通过传导向外散热，但润滑脂充满轴承内部，若润滑脂传热效果不好，影响热量外散也会造成轴承温度升高。
综上所述，轴承自身产生的热功率主要由发电机运转速度、转子重心与轴承中心的偏差距离、润滑脂的特性和多少、发电机的安装质量决定。
1.2轴承外部热源传导造成轴承温度过高
1.2.1 部件损耗产生的热量
发电机在工作状态中，电机内部不可避免会造成部件的磨损，如定子或转子的铜耗、 铁耗、 机械损耗及附加损耗等，使发电机轴承温度升高。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。
计算公式为：PCu=PCus+PCuf=Is2×Rs+If2×（Rf+Rp），其中：Is为转子回路的总电流；If：励磁绕组回路的总电流；Rs为转子回路的总电阻；Rf为励磁绕组的总电阻；Rp为外串的调节电阻；以上物理量中转子回路的总电阻、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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
同理，铁耗主要由涡流损耗和磁滞损耗两部分构成，影响因素有磁通交变频率及磁密的值有关。机械损耗是由于碳刷和换向器的摩擦、转子转动时与空气摩擦造成的损耗；附加损耗为除以上损耗之外的其他原因产生的损耗，一般将额定损耗的0.5%-1.0%作为附加损耗。总之，发电机的铜耗、铁耗、机械损耗均有可控制的影响因素，这些损耗可以通过技术手段降低，从而减少热量的产生。
1.2.2发电机水冷器散失的热量
发电机冷却方式由空空冷却、空水冷却和水套冷却等。发电机冷却装置在吸收热量的同时，对外散发热量，这也成为轴承温度升高的原因之一。以水冷器为例，水冷器在从发电机内吸收热量，降低发电机温度的同时，通过冷却液将热量排除机舱，理想状态下，水冷器吸收的热量与冷却液吸收的热量相等。但在实际工作中，水冷器吸收的热量与冷却液流量成正比，大小与冷却液的传导系数和散热器的表面积有关。水冷器吸收的热量与冷却液吸收的热量的差值，也是造成轴承温度升高的原因。
1.2.3发电机外壳对周围环境散发的热量
发电机热量的散发除冷却装置外，还有通过电机外壳向外界散热。根据热辐射相关公式可知，发电机外壳向外界辐射的热量，与发电机外壳空气流量、外壳与空气温度差、空气吸热能力、外壳灰度有关。若发电机外壳散热受阻，则会导致内部结构温度的升高，包括轴承。
二、处理措施
根据轴承温度升高热量来源分析以及长期工作经验，对轴承温度升高造成的系统故障可以从以下几方面控制预防：
2.1 润滑脂的选用及维护
润滑脂性能的好坏，决定了滚珠与滚柱间的摩擦系数，更换质量较好的润滑脂，可有效降低由于摩擦产生的热量。对于选定的润滑脂品牌，其性能已经固定，但在使用过程中可能造成污染降低其性能，应定期更换或补充润滑油。
2.2 提高发电机安装质量
通过提高发电机安装质量减小发电机转子重心与轴承中心的偏差距离，确保轴承内外圈的间隙和窜动量符合设计值，从而减少轴承自身的发热量。
2.3 提高发电机零部件质量
发电机产生的热量由转子回来电流、励磁回路电流、发电机转速和发电机硅钢片质量决定。在电压固定的情况下，电流大小由电路中电阻决定，电阻大小与材料性能、长度、横截面积有关。在材料确定、粗细一致的情况下，材料的长度成为影响电阻的决定性因素。因此发电机零部件的质量减少可有效降低发电机热量产生。
2.4 提高发电机冷却质量
冷却液的冷却效果，对于发电机轴承的温度升高影响极大，增加冷却液的流量、改用冷却效果较好的冷却液，并及时检查定期更换，确保冷却机的正常运行。
三、总结
发电机轴承温度过高不仅会造成控制系统故障，还可能降低发电机使用寿命，烧损轴承。因此，做好轴承日常的养护和维修工作十分必要。
参考文献：
[1]徐建平.风力发电机轴承与齿轮的润滑[J].合成润滑材料，2011，38（3）：11-14.
[2]陈龙，杜宏武，武建柯等.风力发电机用轴承简述[J].轴承，2008，（12）：45-50.
论文作者:冯悦红,范小晶
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/28
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