散熱筋形式的風力發電機溫升計算

張海鳳，王步瑤，楊國偉，郭燈塔，李素平

（湘潭電機 海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室， 湖南湘潭 411101）

0 引言

隨著全球風力發電的持續升溫，中國的風力發電行業得到了快速發展。目前風力發電機仍然面臨著許多亟待解決的問題，其中，電機散熱方式，就是其中一項重要課題。加強冷卻可以提高電磁負荷，減少發電機的體積，降低成本[1]。

風力發電機的散熱方式為：外殼散熱筋的散熱方式結合內通風的散熱方式。就外殼散熱筋的散熱方式而言，與傳統緊湊型電機的散熱方式和結構有著不同之處。其一，不同于以往的整體鑄鋼翅片，風力發電機多采用鋁翅片，與機座裝配的方式。其二，傳統的風機在翅片區域鼓風，其特點是風速隨電機轉速的不同而變化，也隨電機軸向的位置而變化。風電的吹風方式為大空間的空氣外掠方式，翅片散熱的風速取決于外部環境空氣的流速，且在電機軸向速度變化不大。

風力發電機的另一個特點是轉速很低。對于永磁發電機而言：損耗以定子的銅耗為主，占到90%以上，機械耗和轉子的損耗則占的比例極小，占到個位數的百分比，甚至不到1%。這樣風電電機內部區域的發熱情況與一般電機呈現很大的差異。此外，常規電機轉子的高轉速使得電機內部的空氣擾動換熱占到一定的比例，而風電電機的低轉速使得空氣擾動對流換熱比例明顯下降。對于電勵磁發電機而言，轉子的發熱又比一般電機的發熱大。因此，由于風電電機內部發熱區域的重大變化以及散熱方式的明顯改變，使得在溫升計算方面與以往常規電機有很大的不同。

此外，風力發電機一般在室外布置，也有在高海拔布置的案例，這些情況都對散熱構成重要影響。

室外布置要考慮太陽輻射。以往常規產品一般室內布置而未考慮太陽輻射導致的外殼升溫，而風電電機由于室外的布置而須予以考慮。

對于高海拔區域，空氣密度較低，相同風速下散熱能力下降。因此散熱計算中要考慮空氣密度的變化。

1 計算方法

1.1 殼體散熱的計算

以流體外掠物體的換熱作為基本的換熱計算模型[2]，結合考慮不同的翅高、翅間隙所產生翅片間的流體流速的變化，進行殼體壁面溫度和散熱的計算。殼體壁面溫度，沿軸向會有所變化，但對于流體外掠物體的換熱這種情況，在與定子接觸的中間區域，與傳統的鼓風方式相比，變化幅度會小很多，故殼體中間區域以平均壁溫作為計算參數。殼體兩端不計算壁溫。翅片表面的溫度沿徑向和軸向都會有所變化，通過計算翅片效率來考慮這種影響。

1.2 無內通風的電機內部散熱計算

電機內部散熱以導熱方式為主。通過計算繞組的絕緣層導熱熱阻、線圈槽熱阻、硅鋼片導熱熱阻、定子與殼體的接觸熱阻來計算導熱環節的總熱阻，從而計算導熱熱量。定子繞組的伸出端對壁面有一定的輻射散熱量，以物體向大空間的輻射散熱作為計算模型，計算散熱量。兩種換熱的等效線路為并聯方式。

1.3 有內通風的電機內部散熱計算

電機內部也是以導熱方式散熱為主。導熱熱阻的計算方法與上節相同。除了伸出端繞組的輻射散熱仍要考慮外，內部空氣的對流換熱[3]要作為重點考慮。內部空氣的流動會帶走一部分端繞組的熱量，也會通過氣隙中的流動帶走定子繞組的部分熱量、帶走轉子繞組的幾乎所有熱量，通過定子通風口的流動還會帶走部分定子的鐵耗。這種散熱方式的等效線路非常復雜，必須通過溫度迭代進行計算。

1.4 高海拔帶來的空氣密度的考慮

高海拔使得空氣密度降低，電機溫升升高。本軟件所采用的換熱計算式中，都有空氣密度的參數，以此只要在輸入界面中給出空氣密度的輸入框，即可考慮空氣密度變化的影響。如果只知道電機所處的海拔高度，則程序會自動計算出所處海拔高度的空氣密度。

1.5 太陽輻射

太陽輻射會提高殼體壁面溫度，增加電機溫升，必須予以考慮。太陽輻射的強度在不同的地區、不同的時刻、不同的輻射角度都會變化。本軟件中，給出了不同地區的選擇框，選定某個地區，自動會跳出這個地區在一天最熱時間段的不同輻射角度的平均輻射強度。用戶也可自行輸入該數值。知道了輻射強度后，乘以電機外殼表面積即為電機吸收的熱量，將這一熱量并入電機的發熱量進行電機外殼壁面溫度和電機溫升的計算。

2 熱力計算模型

2.1 等效結構圖

2.2 有內風的熱力計算模型

電機內部的熱量[4]主要由定子和轉子的損耗、機械耗和雜耗產生。認為定子的散熱主要是通過定子向機殼導熱完成的，轉子的散熱一部分通過轉子內部的通風道帶走，另有一部分通過轉子與定子之間的氣隙，以對流換熱的形式傳給定子，再由定子傳遞給機殼。機械耗和定子端部則主要通過電機內部的空氣攜帶給壁面。其中定子和轉子的散熱好壞對繞組溫升起主導作用。

定子的外徑和內徑不變，等效的硅鋼片區域面積等于原硅鋼片面積；等效的絕緣層厚度等于原絕緣層厚度；剩下的區域為繞組區域，整個繞組區域溫度相同，等于繞組溫度。定子的散熱為繞組區域的發熱（銅耗）和硅鋼片的發熱（鐵耗），散熱的計算為圓柱坐標下的有內熱源的二維導熱問題。

忽略鐵耗，認為轉子損耗全部是銅耗。轉子銅耗的發熱區域簡化為一條環形帶(等效銅耗發熱區域)。同樣，轉子通風孔也簡化為一條環形帶（等效通風區域），該環形帶的空氣流通面積與換熱面積保持與原通風孔相同，環形帶傳熱與流阻計算的當量直徑保持與原通風孔相同。等效的硅鋼片區域面積等于原硅鋼片面積，剩下的區域為繞組區域，整個繞組區域溫度相同。散熱的計算為圓柱坐標下的二維導熱及對流問題。機殼外的熱力計算可算出壁面溫度Tb。

定子散熱量Q1與繞組溫度Tr和壁面溫度Tb、熱傳導熱阻R的關系為：

由此計可算出繞組溫度Tr。（此為簡單說明式，實際為有內熱源的導熱問題，硅鋼片的發熱作為內熱源）

3 計算結果

3.1 程序界面

圖2 程序界面

3.2 驗證計算

以XE93電勵磁為例，輸入數據可得到定子繞組溫升、傳熱各環節的熱阻、散熱筋效率等。

表1為幾種機型的溫升計算結果與試驗數據的對比。該軟件既包括了常規的風力發電機溫升計算，又覆蓋了高原型、海上風電等特殊運行環境的產品溫升計算，較綜合、準確的計算了帶散熱筋形式的風力發電機的溫升，轉子結構可以是永磁體，也可以是常規的電勵磁方式，計算結果與試驗結果吻合性較好。

4 結論

散熱筋形式的風力發電機溫升計算方法及經驗系數的取值通過試驗已經充分說明其合理性，溫升計算軟件的開發大大提高了產品研制的可靠性，縮短了研發周期，通過不同機型的計算與試驗結果對比，吻合性較好，充分體現了該軟件的成熟度與準確性。該軟件既包含了永磁風力發電機的溫升計算，又包括了電勵磁風力發電機的溫升計算，軟件具有很高的覆蓋面及綜合性。

圖3 計算報告

表1 計算數據與試驗數據的比較

[1] 薛玉石, 韓力, 李輝. 直驅永磁同步風力發電機組研究現狀與發展前景.

[2] 鮑里先科, 丹 科, 亞科夫列夫. 電機中的空氣動力學與熱傳遞[M]. 北京: 機械工業出版社, 1985.

[3] 楊世銘. 傳熱學. 北京: 高等教育出版社.

[4] 魏永田. 電機內熱交換. 北京: 機械工業出版社,1998.