半直驅永磁風力發電機冷卻介質溫度場分析研究

□ 趙 震 □ 李 巖 □ 鄒強龍 □ 龍 蛟

江蘇中車電機有限公司 江蘇大豐 224100

1　研究背景

隨著新能源風力發電技術的蓬勃發展，風力發電機的容量在不斷增大，與此同時，風力發電機的熱負荷也在不斷提高。

風力發電機作為一種能量轉換裝置，在運行過程中線圈和鐵心等部位均會產生銅耗、鐵耗及其它損耗，以熱的形式向外散發。發散出的熱量對發電機繞組絕緣材料的壽命及發電機金屬結構件的強度和硬度均有很大影響，如果發電機溫升過高，還可能導致發電機永磁體發生不可逆的退磁或線圈絕緣損壞，進而引起匝間短路等發電機故障［1-4］。因此，發電機溫升一直是考核發電機性能的一個重要指標［5］，對風力發電機溫升進行計算，以及對冷卻系統進行設計，是風力發電機設計的重要環節。

筆者針對一款大功率半直驅永磁風力發電機的冷卻系統進行設計，提出一種由水冷與空冷相結合的冷卻形式，并應用仿真分析軟件對發電機溫度場的分布進行分析。

通過分析，得到了水道中水和發電機冷卻空氣的溫度場分布情況，總結了相應的分布規律。通過試驗方式，對水道中水帶走的熱量與冷卻空氣帶走的熱量進行驗證，為大功率半直驅永磁風力發電機冷卻系統的設計提供了一定的參考。

2　風力發電機冷卻系統

2.1　主要熱源

由于半直驅永磁同步風力發電機轉子不產生損耗，因此發電機的熱源主要來自于銅耗、鐵耗，以及其它損耗［6-8］。

銅耗是發電機在運行時，電流通過繞組所產生的損耗。 銅耗密度 PCu為［9］：

式中：m為發電機相數；I為發電機三相繞組的相電流幅值；T0為初始溫度；R0為初始溫度T0時測得的發電機每相繞組電阻值；a為銅線繞組的溫度系數；Tr為發電機工作時的繞組溫度。

鐵耗是交變磁場穿過發電機定子鐵心時產生的損耗，一般包括渦流損耗和磁滯損耗。單位質量鐵耗PFe的計算式為［10］：

式中：Bm為磁感強度；f為電磁頻率；P1/50為鐵耗系數，指Bm=1 T、f=50 Hz時，1 kg硅鋼片的鐵耗；β為頻率指數，一般取 β=1.2～1.6。

半直驅永磁同步風力發電機結構中，永磁體置入轉子，轉子不需要供電。雖然永磁體會產生穿過定子鐵心的磁通，但是轉子鐵耗比較小，在設計時可以忽略不計。

2.2　冷卻系統設計

半直驅永磁同步風力發電機的主要發熱體是由發電機繞組、鐵心組成的發電機定子，散熱形式是發電機定子中產生的熱量通過熱傳導作用傳至定子表面，然后再通過對流換熱和熱輻射作用散發至發電機定子周圍介質中。

半直驅永磁同步風力發電機與同功率的直驅永磁同步風力發電機相比，體積較小，但發熱量基本相當。發熱主要集中在發電機定子上，因此筆者針對半直驅永磁同步風力發電機設計一種更有效的冷卻系統，通過空冷和水冷組合的冷卻形式，對半直驅永磁同步風力發電機進行冷卻。所設計的半直驅永磁同步風力發電機冷卻系統如圖1所示。

▲圖1 半直驅永磁同步風力發電機冷卻系統

發電機定子產生的熱量通過水道中的冷卻水和進風口送進的冷卻空氣各帶走一部分。由于水的熱容量和導熱能力遠大于空氣，冷卻效果也較好，因此可以使發電機繞組絕緣體維持在一個較低的溫升水平，延長絕緣體的使用壽命。與此同時，水冷系統允許發電機承受更高的電磁負荷，可以提高材料利用率，并且使發電機具有損耗低和噪聲低等優點［11］。實際設計時，還需要從經濟性等多方面進行綜合考慮，一般選擇水冷或組合冷卻形式。

筆者采用水道帶走60%熱量和風道帶走40%熱量的組合設計，即水道與風道帶走的熱量比為1.5。發電機單位時間內總發熱量為48.3 kW，冷卻介質水的溫升設計值是5 K，冷卻介質風的溫升設計值是20 K。

冷卻介質流量qv為：

式中：Σph為冷卻介質帶走的總熱量；ca為冷卻介質比熱容；Δτα為冷卻介質溫升。

根據式 （3）計算得到冷卻介質風的流量為0.878 m3/s，冷卻介質水的流量為0.001 389 m3/s。

3　溫度場分析

3.1　溫度場計算方法

在發電機設計初期，發電機的溫度都是使用簡化公式或等效熱路法進行計算的。簡化公式將鐵耗和銅耗僅通過定子或轉子圓柱表面散熱量進行計算［12］。等效熱路法將溫度場問題等效轉化為帶有集中參數的熱路進行計算，其中繪制等效熱路圖是計算的重要步驟。這兩種方法通常可以簡單計算出鐵心和繞組的平均溫度，但都不能反映溫度的分布情況。在發電機具體設計階段，一般采用數值計算法。數值計算法對由微分方程和邊界條件確定的邊值問題進行求解，進而得到求解域內全部節點的溫度，也即得到發電機部件內的溫度場［13］。有限元法、等效熱路法、邊界元法和有限差分法等都屬于數值計算法，其表達式為：

式中：λ為零部件的導熱系數；T為求解區域內任意位置的溫度；c為材料比熱容；γ為材料密度；q為單位時間內單位體積的發熱量；τ為時間；T0為邊界面S1上的設定溫度；α為對流換熱邊界面S2上的換熱系數；Tf為對流換熱邊界面S2周圍的介質溫度；q0為邊界面S3上的熱流密度，當S3為絕熱邊界時，q0=0；λn為邊界面外法線方向的導熱系數。

3.2　有限元仿真模型主要參數

去除發電機端蓋后的仿真計算模型如圖2所示，主要參數見表1、表2。

表1　仿真計算模型材料導熱系數 W·（m·K）-1

在有限元計算時，環境溫度設置為25℃，進風口溫度設置為55℃，進水口溫度設置為45℃。

3.3　溫度場計算結果

通過仿真分析，得到發電機中風道冷卻空氣的溫度場分布，如圖3所示。實際溫升為20.83 K，由式（3）計算得到實際帶走的單位時間內發熱量為20.118 kW。水道中冷卻水的溫度場分布如圖4所示，實際溫升為4.76 K，由式（3）計算得到實際帶走的單位時間內發熱量為27.588 kW?？梢?，水道與風道帶走的熱量比為1.37。發電機機座表面溫度場分布如圖5所示。

▲圖2 仿真計算模型

▲圖3 冷卻空氣溫度場分布

▲圖4 冷卻水溫度場分布圖

▲圖5 機座表面溫度場分布

4　數據對比

對發電機水道進出口和風道進出口溫度等的設計值與仿真值進行對比，結果見表3。

表3　發電機冷卻系統設計值和仿真值對比

由表2可以看出，半直驅永磁同步風力發電機冷卻系統基本滿足設計要求。

5　結論

（1）使用簡化公式，計算出半直驅永磁同步風力發電機冷卻系統進出口處冷卻介質的流量。

（2）建立了半直驅永磁同步風力發電機的仿真計算模型，對其進行數值分析，得到了冷卻介質進出口處的溫升數據，進而得到發電機冷卻系統中水和空氣帶走的熱量比為1.37。

（3）仿真計算中，冷卻空氣單位時間內帶走的熱量為20.118 kW，比設計值大；而冷卻水單位時間內帶走的熱量設計值為28.98 kW，仿真值為27.588 kW，可見還有一小部分熱量通過發電機機座散發出去，這部分熱量可以忽略不計。

（4）水道和風道帶走的熱量雖然沒有嚴格滿足設計的要求比，但是對簡化公式和仿真計算而言，兩者相差不大，是可以滿足工程應用的。

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