永磁直驅風力發電機定子溫度場研究

文 | 張海平，王金輝，艾厚剛

（作者單位：張海平，艾厚剛：包頭中車電機有限公司；王金輝：新疆金風科技股份有限公司）

風力發電機整機在將機械能轉化為電能的同時，部分能量以定子發熱形式散失。在目前的技術條件下，定子的絕緣性能與散熱能力是一對難以破解的矛盾，增大絕緣層厚度毫無疑問可以提高定子絕緣能力，但定子散熱能力會隨之降低，電機運行溫度也會隨之增高。反之，電機散熱能力強，運行溫度低，則電機容易潮濕，絕緣電阻又將隨之降低。因此，在保證定子絕緣性能的前提下，通過研究定子溫度場分布，可充分了解電機定子溫度變化、電機散熱和故障等情況，對于發電機的安全穩定運行具有重要意義。

此外，風力發電機單機大容量、大尺寸的發展趨勢對其絕緣性能、抗腐蝕性能以及散熱能力提出更高要求。定子的運行溫度、散熱能力與其絕緣性能相關。以永磁直驅風力發電機為例，目前，該類風力發電機最顯著的故障模式為定子絕緣擊穿及軸承失效。為了平衡定子絕緣性能和散熱能力這對矛盾，需研究定子運行時的溫度分布情況，找出定子運行溫度最高值的對應位置，對此處進行結構優化和絕緣升級，以減少發電機因散熱問題導致的定子絕緣失效。

本文基于定子制造材料、工作狀況及運行環境，選擇合適的定子對流換熱系數，利用ANSYS軟件的溫度場模塊模擬定子鐵心、線圈的溫度分布情況，得到合理的定子溫度場云圖，分析了發電機定子線圈的熱傳導、熱對流情況，并將其與實測結果進行對比。

熱分析基礎理論

熱傳遞有三種基本方式，分別是熱傳導、熱對流及熱輻射。

熱傳導是兩個物體之間或一個物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的內能交換。熱傳導遵循傅立葉定律：

式中，q*為熱流密度；Knn為導熱系數；為沿向的溫度梯度。

熱對流是固體表面與其周圍接觸的流體之間由于溫差引起的熱交換，分為自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，hf為表面傳熱系數，TS為固體表面的溫度，TB為周圍流體的溫度。

熱輻射在工程中通常考慮兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統中每個物體同時輻射并吸收熱量，它們之間的凈熱量可以用斯蒂芬-波爾茲曼方程計算：

式中，Q為熱流量，ε為吸射率，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數，A1為輻射面1的面積，F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數，T1為輻射面1的絕對溫度，T2為輻射面2的絕對溫度。

永磁直驅風力發電機在運行過程中，因電機內部的溫度差值較小，本文在分析定子生熱熱傳遞時主要考慮導線、絕緣和硅鋼片之間存在的熱傳導以及定子表面和空氣之間存在的熱對流情況，不考慮熱輻射。

有限元分析

一、定子有限元模型建立及網格劃分

利用ANSYS中Workbench對某大型風力發電機定子建模。由于定子的熱量來源主要有兩部分，一部分是定子線圈銅損耗，另一部分是定子鐵心鐵損耗，因此，分別建立線圈模型及其支架模型。定子線圈的關鍵技術參數是：定子繞組為雙層結構，導體截面面積為10mm×4mm，采用成型線圈，絕緣材料等級為F級，建立的模型如圖1所示。

定子直徑大，線圈多，為減少仿真計算量，可以對定子結構進行簡化：將疊壓在一起的硅鋼片作為一個整體；繞組與槽之間、鐵心與絕緣材料之間的接觸比較緊密，忽略其接觸熱阻；根據幾何及邊界條件的對稱性，簡化后的有限元模型如圖2所示。

利用熱模塊分析時需要設置定子材料屬性，導體材料為紫銅，密度為8.889kg/m3，彈性模量為80kN/mm2，泊松比為 0.32，比熱容為390J/（kg· ℃），導熱系數為383W/（m· K），熱導率根據復合材料參數設定為42W/（m·℃）；硅鋼片比熱容為430J/（kg· ℃），導熱系數為42.5W/（m· K）；絕緣材料比熱容為 890J/（kg· ℃），導熱系數為0.165W/（m· K）。

采用有限元分析中常用的映射網格形式對風力發電機定子進行網格劃分?？紤]到熱分析的準確性及耦合間為直接耦合方式，選擇的網格劃分單元類型包括溫度場中的所有單元，模型一共建立了72個接觸對，劃分后的網格如圖3所示。

二、邊界條件設置

在對定子發熱量和定子熱對流及熱傳導研究的基礎上，對定子加載熱載荷和邊界條件。模型加載的邊界條件分別為：（1）已知邊界函數及界面溫度，利用有限元法給出其余熱溫度條件。（2）利用與線圈相接觸介質的溫度和對流換熱系數設置介質對流形式。

為使有限元更好地反映定子線圈內部溫度變化的情況，應保證線圈與絕緣體之間的充分接觸，在導體和絕緣材料熱導率恒定的前提下加載邊界條件。

發電機定子溫度場仿真時設定的邊界約束條件如下：

（1）定子線圈、絕緣材料與硅鋼片的換熱熱傳導系數由其材料屬性確定。

（2）定子線圈發熱量選取線圈通電時的最高發熱數值。

（3）將線圈發熱量以熱傳導的形式加載到絕緣體和硅鋼片的內面上。

（4）在槽楔和硅鋼片的外面上加載熱對流。

三、發電機定子有限元結構分析

利用有限元軟件分析求解定子瞬態溫度場的分布情況，將仿真溫度設定為機組運行的實際環境溫度（15℃），熱源只考慮定子線圈通電后的自身發熱。整體及不同部位的仿真分析結果如圖4所示。

表1 有限元法和現場PT100測量的定子線圈溫度分布結果對比

由圖4（a）定子整體發熱量分布云圖可知，發電機定子線圈與其相鄰絕緣體的發熱量最大，是定子熱源。由于線圈被絕緣材料和硅鋼片所包絡，與外部的熱交換小，不易散熱，故其溫度最高，為78.35℃。而在整體發電機定子發電過程中，槽楔部位溫度低，熱通量大。

有限元與實測結果對比分析

利用紅外輻射測溫儀FLUKE-62測量發電機定子支架溫度，實測溫度約為15℃。之后啟動發電機組，記錄機組自啟動至穩定運行過程中定子溫升情況。有限元法和現場PT100測量的定子線圈溫度分布結果如表1所示。

由表可知，與現場實測結果相比，利用有限元法得出的定子溫度場數值略大。這是因為有限元法在建模過程中，只考慮了線圈、絕緣、硅鋼片的物理化參數，將絕緣漆、槽絕緣、層間墊條作為一個絕緣的整體進行簡化，并未將三者有機聯系起來?？傮w來看，兩種方法的溫度相差不大，分析結果可接受。

結論

通過本文研究可知，利用有限元法分析風力發電機定子正常運行條件下溫度場變化情況，得到的數值與現場實測的定子溫度場數值相差較小，因此，在此類分析中可以充分利用有限元法獲取發電機定子溫度。

由于永磁直驅風力發電機的安裝位置通常在60～100m的高空中，利用有限元仿真結合溫度傳感器現場實測的方法對發電機定子的溫度場研究有重要意義，不僅可以整體了解發電機定子的發熱、散熱情況，還能夠指導后續風電機組定子絕緣、定子結構的優化設計工作。