感應加熱器在永磁直驅風力發電機軸承加熱中的應用

張蓉

（東方電氣集團東方電機有限公司 四川德陽 618000）

1 引言

隨著國家能源戰略政策的調整，風力發電作為清潔能源和可再生能源越來越受到國家的重視，風力發電設備制造業蓬勃發展。為了占領風電市場，東方電氣集團東方電機有限公司先后自主研發并制造了多種機型的風力發電機產品，其中永磁直驅同步風力發電機即第三代風力發電技術，因其具有較好的可靠性及穩定性已成為目前的主流機型。

軸承作為永磁直驅風力發電機的核心部件，其直徑較大，均在1500mm以上，與轉軸之間的裝配過盈量約1mm，多采用加熱軸承的方式進行裝配。軸承加熱的方式和過程控制優劣直接影響軸承的性能質量，進而影響發電機的運行性能。感應加熱器應用于軸承加熱，安全可靠、可操作性強、潔凈度高，不但保證了軸承本體質量性能不受裝配過程的影響，而且還大大提高了軸承裝配的效率。

2 感應加熱的原理和特點

感應加熱是利用電磁感應的使被加熱的材料內部產生電流，依靠渦流的能量達到加熱的目的。在加熱的過程中，迅速變化的電流流過金屬工件時產生集膚效應，在金屬表層產生很高的熱源，再利用受熱工件自身作為熱源進行熱傳遞。

根據感應加熱的特點：在熱傳遞的過程中，如果升溫速度過快，就會在厚大工件的不同區域產生一定的溫度梯度，高溫區產生較大的拉伸應力而收到低溫區的限制，由此產生一定的溫度應力，當溫度應力達到材料的屈服點時，工件會產生永久的塑性變形[1]。

3 感應加熱設備的選擇和參數設置

選擇的中頻感應加熱器型號為ATECFR-80/380T-B15F，恒溫控制模式，其主要調節參數為：升溫速率、溫度最大值、恒溫PID比例系數、恒溫PID積分時間、恒溫PID微分時間、預置PID積分以及超溫差設定等。根據感應加熱的原理說明，在使用感應加熱器加熱軸承前，需對感應加熱器的各項參數功能充分了解，否則使用感應加熱的方式加熱軸承，可能會對軸承的尺寸精度造成影響，存在較大的安全隱患，必須尋找一個溫度和時間相對線性的升溫速率，控制合理的始溫-終溫時間。

3.1 軸承外圈加熱參數設置

經過多次參數設置測試，軸承外圈加熱參數按表1進行設置，滿足軸承外圈加熱要求。

表1 外圈加熱參數

在軸承外圈上布置的6點測溫傳感器反饋溫度值，每10min采集一次，得到軸承外圈升溫速率，如圖1所示。

根據升溫速率曲線可知：最大溫差4℃；升溫速度較均勻，100℃之前升溫速率基本呈現線形；超過設定保溫溫度僅0.8℃。

因此，加熱時間1h，升溫速率基本呈線形，保溫時最高溫度未大幅度超過設定溫度，可滿足軸承外圈加熱的需要。

3.2 軸承內圈加熱參數設置

經過軸承外圈參數設置測試，軸承內圈加熱參數按表2進行設置，滿足軸承內圈加熱要求。

圖1 軸承外圈升溫速率曲線

表2 內圈加熱參數

同樣，在軸承內圈上布置的6點測溫傳感器反饋溫度值，每10min采集一次，得到軸承內圈升溫速率，如圖2所示。

圖2 軸承內圈升溫速率曲線

根據升溫速率曲線可知：最大溫差4.5℃；升溫速度較均勻，100℃之前升溫速率基本呈現線形；超過設定保溫溫度僅0.6℃。

因此，加熱時間1h，升溫速率基本呈線形，保溫時最高溫度未大幅度超過設定溫度，可滿足軸承內圈加熱的需要[2]。

4 現場應用情況

使用感應加熱器加熱軸承時，按照表1和表2內、外圈參數，分別設置軸承內外圈感應加熱器。首先，開啟外圈加熱器電源將軸承外圈加熱至110℃。軸承外圈在110℃下保溫30min后，繼續在110℃溫度下進行保溫，開啟軸承內圈加熱器電源，開始對軸承內圈進行加熱至110℃，保溫60min。

在加熱的過程中，使用PT100鉑熱電阻對測溫點附近測溫，校核感應加熱器的反饋溫度值。

軸承加熱后，水平起吊軸承，測量軸承內徑4點尺寸，要求測量得到的內徑尺寸≥軸承名義尺寸+1.5mm，根據表3實測數據可知，軸承加熱后內徑尺寸滿足軸承熱套要求。

表3 軸承內徑實測值（單位：mm）

5 結束語

綜上所述，得出以下討論：

（1）根據軸承尺寸規格的不同，中頻加熱電源在恒溫模式下可通過調節升溫速率、溫度最大值、恒溫PID比例系數、恒溫PID積分時間、預置PID積分以及超溫差設定可將加熱速率調整至接近線形的狀態。

（2）在加熱軸承時，需先對軸承外圈進行加熱，待外圈升溫至預設溫度，保溫至少0.5h后，再對內圈進行加熱，避免軸承內、外圈的膨脹速率不同對軸承造成損傷。

（3）在軸承內外圈加熱過程中需由專業操作人員對軸承升溫、保溫等過程進行嚴格的監控，確保加熱過程受控，避免突發事故對軸承造成損傷。

（4）通過對軸承加熱電源及控制模式的選取、加熱參數的設置進行詳細的總結并應用于實際生產中的軸承加熱，使軸承裝配速率大大提高，同時保證了軸承的潔凈度和軸承的質量，為永磁直驅風力發電機的批量化生產打下堅實的基礎。