高轉差異步發電機轉子的三維溫度場及旋轉熱管的應用

魏靜微， 楊崑， 謝穎， 丁樹業

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

在百千瓦級風力發電機中，為了減少控制環節，大都利用異步發電機。由于我國各風能區域風速變化大，即發電機輸出功率變化范圍大，希望發電機設計成高轉差異步發電機。高轉差異步發電機能使輸出功率波動減小，有利于風力發電機和柴油發電機并聯運行，同時輸出功率變化時風機的轉軸等受沖擊的機械應力也大為減緩。

眾所周知，轉差的提高會使轉子鋁耗加大，這使原本就散熱困難的轉子和軸承的溫度增高。據風力發電場觀察，發電機輸出功率變化是相當大的，在超負荷運行時，轉子、轉軸及軸承的溫升常常要超過允許值，這對發電機的安全運行及運行壽命不利。

本文以一臺160kW－6極高轉差異步發電機為例，在轉子三維溫度場計算的同時分析了旋轉熱管散熱器的應用，從而使電機轉子及軸承溫升在150%負荷情況仍在允許范圍之內，以證明應用旋轉熱管散熱是解決高轉差異步風力發電機轉子、轉軸及軸承過熱的有效措施。

1 轉子溫度場計算模型

1.1高轉差異步發電機結構

高轉差異步發電機截面結構示意圖如圖1所示。電機轉軸內設計了軸向旋轉傳熱管［1］，轉子熱量由旋轉熱管散熱器傳遞到電機外部。

圖1 電機截面結構示意圖Fig．1 Cross-section diagram

1.2 計算區域及基本假定

由于電機轉軸內設計了軸向旋轉傳熱管，溫度場計算長度方向取轉子整個軸向長度為溫度場計算區域，徑向方向求解域為轉子整個齒槽，如圖2所示。

計算時基本假定如下:

1)考慮到轉軸中空并加入冷卻液冷卻，認為熱傳遞是由轉子表面傳向轉軸中心方向;

2)由于空氣隙中空氣傳熱效果低，熱管中冷卻液溫度低，認為定轉子之間沒有熱傳遞;

3)轉子表面的諧波損耗、空氣摩擦損耗計入雜散損耗且只集中在轉子表面;

4)其他機械損耗可按照消耗在轉子內考慮;

5)S1、S2分別為轉子兩個齒的中心面，為絕熱面，統一表示為SΙ;而 S3、S4為轉子鐵心表面，S5為氣隙表面，二者均為對流散熱面，用S∏表示。

圖2 轉子三維溫度場求解域Fig．2 Solved region of 3D temperature field

圖3 轉子剖分圖Fig．3 Grid mesh of the rotor

1.3 溫度場求解的邊值問題

計算區域穩態溫度場求解的數學模型可以表達邊值問題［2－5］為

式中:λx、λy、λz為沿 x、y、z方向的導熱系數;q 為熱流密度;T為散熱面的表面溫度;T0為散熱面的周圍介質溫度;α為散熱面的散熱系數。

相應的等價泛函數為

2 溫度場熱源與換熱系數的確定

2.1 轉子導條及端環的鋁耗

考慮到異步發電機結構細長，根據電磁計算可得出轉子導條與端環的電流密度，并把端環損耗計入導條中，則轉子導條的損耗為

式中:Ne為轉子導條單元數;JT為單位感應電流密度;Δe為導條剖分單元面積;Lef為鐵心長度。

2.2 轉子表面損耗及機械損耗

考慮到機械損耗計算缺乏準確性，特參考異步發電機的實驗數據，將轉子旋轉時產生的風摩損耗，定子各次相帶諧波及齒諧波磁動勢等，在轉子表面產生的各種損耗均計入轉子表面損耗，并換算成單位體積損耗，即生熱率。而機械損耗的另一部分則計入轉子內。

2.3 表面換熱系數

當導條與轉子槽間隙很小時，轉子表面(即氣隙)及轉子端環與空氣熱能部分認為熱阻較大，即換熱系數為零．而認為轉子與轉軸之間間隙δ2≈0，即轉子與轉軸之間的傳熱系數也為無窮大。

3 轉子溫度場計算

根據電磁計算得出電機額定運行時各部分損耗值，將其轉化為各部分的生熱率，其中以轉子導條及端環鋁耗、轉子表面損耗及機械損耗作為該電機轉子溫度場發熱的熱源［6］，如表1所示。

表1 電機各部分損耗及生熱率Table 1 The loss and heatngeneration rate

應用ANSYS有限元軟件對額定功率160kW－6高轉差異步發電機進行了三維溫度場［7－9］計算并得到轉子溫度分布如圖4～圖6所示。

通過計算轉子在轉速(1120 r/min、1230 r/min、1 500 r/min)下的三維溫度場分布圖。分析以上3種工況場圖可以得出以下結論:

1)溫度場最高溫度點(深色部位)主要位于轉子內側靠近轉軸處。首先，這個部位溫度高是主要因為這部分的線速度最低，對流散熱系數小，不易于散熱。

2)溫度最高點還有部分出現在槽口。因為這是在電機運行過程中，轉子導條是電機的主要熱源所在處，而且這個部位與氣隙接觸的面積小，不容易散熱。

3)軸向來看，整個轉子對稱，溫度場分布沿軸向近似對稱。這里產生的不對稱原因可能是因為在選擇剖分模型時，選擇了八節點六面體自由剖分，難免會造成疏密不均勻。

4)比較幾種工況可以得出，當轉速增大時，溫度會增加。因為轉速升高，轉差率增大，轉子鋁耗增大，發熱更多。

4 旋轉熱管散熱器的應用

電機中應用的旋轉熱管由管殼、工質和翅片構成。管殼內壁帶有一定的錐角，制作時需將管內抽成真空，然后充入工質再密封，工質便以氣、液兩態分布于熱管中。旋轉熱管可分為蒸發段、絕熱段和冷凝段。當蒸發段受熱，工質就蒸發成氣態，同時吸收氣化潛熱，熱管兩端形成一定的壓差。氣態工質沿中間通道從蒸發段通過絕熱段流到冷凝段，在冷凝段凝結為液體，并放出氣化潛熱，熱量由熱管冷凝段傳至翅片，然后由風扇將熱量排出電機外，由于離心力的作用，液態工質沿帶錐角的內壁受到往蒸發段的回流力，回流到蒸發段，繼續蒸發，如此循環［10］。

當轉軸內徑、溫度計算完成后，可以根據軸承溫度要求設計熱管散熱器。在高轉差電機內，將轉軸作為熱管，直接使用低碳鋼轉軸，工質使用氨或蒸餾水。其中電機軸與轉子接觸部分為蒸發段，長度為le;電機軸伸出部分為冷凝段，長度為lc;中間部分為絕熱段，其余各部分尺寸如圖7所示。

圖7 旋轉熱管散熱器Fig．7 Rotating heat tube

旋轉熱管換熱器的傳熱過程與電路相似，可以用熱阻來表示熱路徑的傳熱能力，即

式中:R為總熱阻;ΔT為總溫度差;Q為需熱管傳遞的總熱量。

1)可得各段傳熱途徑熱阻分別為:

1)熱管蒸發段管壁徑向熱阻及汽化熱阻R1、R2分別為

式中:λ為管殼材料的導熱系數;α'為蒸發段傳熱系數。

2)蒸汽軸向流動傳熱熱阻為R3，由于相對于其他阻很小，可忽略不計。

3)冷卻段冷卻熱阻及管壁向外傳熱熱阻R4，R5分別為

式中β為冷凝傳熱系數。

4)冷凝器外壁像空間散熱熱阻及冷卻器通過翅片向空氣傳熱熱阻R6、R7分別為

式中:A1為去掉翅片后管壁面積;h0為管壁向外的傳熱系數;m為翅片數目;hf為翅片的平均傳熱系數;Af為翅片總面積;ηf為翅片效率。

根據旋轉熱管工作原理和傳熱學理論，得到其等效熱路圖，如圖8所示。

圖8 等效熱路圖Fig．8 Eqvivalent heat circuit

根據圖8可求得總熱阻，對風扇的選擇應與風扇散掉的熱量及所需維持的溫度有關，根據電機的發熱情況和需要保持的溫度選擇風扇翅片的直徑及翅片數量。由于熱阻和熱流密度均與溫度有關，所以上述計算必須用迭代計算。

應用上述方法對160kW—6極高轉差異步發電機旋轉熱管散熱器進行了設計及轉軸、軸承的溫度計算。結果比較如表2所示。

表2 額定工況下旋轉熱管器設計值與仿真值的比較Table 2 Comparison of the simulation results with the experiment results at rated power operation

5 結論

1)通過對典型樣機三維溫度場計算可以看出，高轉差異步發電機在非額定運行時轉子及轉軸溫度較高，遠遠超出軸承允許溫度，對其使用壽命有較大影響;

2)為解決轉子、轉軸及軸承的過熱問題，在轉軸中合理設計旋轉熱管，可以降低轉子溫度至允許范圍，證明該方法是可應用于工程實際的一種有效散熱措施。

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