[摘" " 要]兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機隨著功率等級的提升，運行溫度升高會對電機絕緣造成威脅，還會導致永磁體的不可逆退磁。針對這一問題，本文基于一臺3.3MW，12r/min的外轉子表貼式永磁電機，設計并建立了其徑向強迫通風冷卻結構，采用迭代仿真的方法合理地考慮電磁場與溫度場的耦合關系， 并基于流固耦合的方法對其溫度場與流體流動情況進行分析。結果表明，本文所設計的通風結構具有一定的冷卻效果，能夠滿足其安全穩(wěn)定運行的需求，對兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)設計具有一定的借鑒意義。

[關鍵詞]永磁直驅(qū)風力發(fā)電機;冷卻結構;設計;溫度場;流體場

[中圖分類號]TM315 [文獻標志碼]A

近年來，風能作為一種清潔的可再生能源得到廣泛應用，風力發(fā)電技術也在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)風電機組主要由發(fā)電機、風輪機以及齒輪變速箱等組成，增速齒輪箱機構不僅帶來噪聲和振動，而且后期的潤滑和機械磨損等維護工作會大大增加運行成本[1]。新一代風力發(fā)電技術采用電機直驅(qū)的方式替代傳統(tǒng)的增速齒輪箱機構。永磁電機因具有高功率密度、高效率、高可靠性、低維護成本和電網(wǎng)兼容性好、低電壓穿越能力強的特點，成為風力發(fā)電的首選解決方案[2-3]。但隨著電機功率等級的提升，永磁直驅(qū)風力發(fā)電機成本高、重量大的缺點逐漸顯露。不僅如此，其損耗也會隨之增加。如果不采取有效的冷卻措施，運行溫度過高不僅會對電機絕緣造成威脅，而且會導致永磁體的不可逆退磁。這將嚴重影響風電機組的安全運行[4-5]。

本文以一臺3.3MW，12r/min的外轉子表貼式永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為例，根據(jù)電機結構及技術要求，設計一種徑向強迫通風冷卻結構，并基于流固耦合的方法，對電機內(nèi)部溫度場分布以及通風道內(nèi)的空氣流動狀態(tài)進行分析，為兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)設計提供參考依據(jù)。

1 風力發(fā)電機的冷卻方式與傳熱機理

1.1 冷卻方式

大型發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)設計是決定大型發(fā)電機設計成敗的關鍵環(huán)節(jié)。目前，大型永磁風力發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)可以分為風冷和水冷兩種型式，風冷系統(tǒng)又可以分為自然風冷和強迫風冷。不同冷卻系統(tǒng)的適用范圍、優(yōu)缺點及其設計過程中的關鍵問題見表1。

目前，強迫風冷是5MW以下大型永磁發(fā)電機應用的主流，按照冷卻空氣進入電機后的主要路徑，又可分為軸向通風系統(tǒng)和徑向通風系統(tǒng)。軸向通風系統(tǒng)結構簡單，加工方便，空氣從一端流入，沿軸向流動并從另一端流出。這會使得槽內(nèi)繞組溫度沿軸向分布不均勻，且溫度最高點在出風口附近。徑向通風系統(tǒng)需要將電機鐵心分段壓裝，并在段間加入通風槽片，結構復雜，裝配工藝更加困難，而且電機鐵心總長需要加長20%左右。但是繞組溫度沿軸向呈對稱分布，溫度最高點在電機中段。

1.2 傳熱機理

電機的溫升是關系到電機使用壽命與運行可靠性的重要因素。對電機進行熱分析，可以確定電機中需要冷卻的重點部位，從而更加合理地設計冷卻系統(tǒng)的總體結構。而且，大型永磁發(fā)電機中的永磁材料和繞組都具有很高的溫度敏感性，所以掌握發(fā)電機內(nèi)部的溫度分布也是準確計算電機性能的必要條件。三維穩(wěn)態(tài)溫度場的定解問題可以表述為：

式中，λx、λy、λz分別為x、y、z方向上的導熱系數(shù)，q為熱源密度，σ為對流散熱系數(shù)，Tf為周圍流體的溫度。

2 3.3MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機冷卻結構設計

由于應用環(huán)境特殊，可利用空間極小，所以大型永磁風力發(fā)電機的通風系統(tǒng)結構需要根據(jù)實際狀況進行單獨設計，同時這也是大型永磁風力發(fā)電機設計的難點之一。本文采用外轉子永磁直驅(qū)式風力發(fā)電機，為了使其達到良好的冷卻效果，采用圖1所示的風路結構。并且在出風口處采用設備吸風的形式來保證空氣在發(fā)電機中的良好循環(huán)，以達到理想的冷卻效果。本文只關注發(fā)電機內(nèi)部的冷卻結構設計，所以在仿真計算過程中，只將其等效為風量35000m3/h，環(huán)境溫度為40℃的冷卻方案。

3 3.3MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機結構及損耗計算

本文中的3.3MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機采用外轉子表貼式結構，其基本參數(shù)見表2。若想準確進行溫度場計算，首要任務是要確定電機的損耗。計算損耗時，磁鋼、定子繞組、鐵芯的電磁特性在不同的溫度條件下都會發(fā)生變化，所以在進行電磁場模擬時，最好選擇最接近實際溫度的材料的電磁特性。但這在計算出溫度場之前是不可能的，所以在實際操作中進行迭代模擬，如圖2所示。

4 基于流固耦合的溫度場計算

4.1 三維溫度場傳熱模型

大型永磁風力發(fā)電機的直徑通常很大，且結構呈扁平狀。為了使電機內(nèi)部溫升能夠盡可能均勻分布，減小溫度梯度，需要盡可能將入風口均勻分散于電機的圓周方向。本文中入風口1和入風口2各沿圓周方向分布24個，出風口沿圓周方向分布8個。根據(jù)電機及其通風道的結構參數(shù)，建立3.3MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機三維溫度場傳熱模型，并取1/4模型作為研究對象，如圖3所示。

4.2 基本條件與假設

發(fā)電機內(nèi)的傳熱過程是非常復雜的，為了便于進行仿真計算，給出如下基本假設與邊界條件。

（1）流體域設置為標準的k-ε湍流模型，并假設系統(tǒng)中不存在熱損失。

（2）入風口設置為壓力入口邊界條件，壓力設定為標準大氣壓，且環(huán)境溫度為40℃。

（3）出風口設置為速度出口邊界條件，風速為3.1m/s。

（4）圓周方向兩側所有對稱面設為旋轉周期邊界條件。

（5）電機定子鐵心、繞組和轉子磁鋼均為熱源，加載平均損耗密度。

（6）將空氣與轉子的所有接觸面設為旋轉移動墻，加載轉速，模擬轉子的旋轉。

4.3 溫度場仿真結果與分析

基于上述分析和假設，通過電磁場和溫度場的耦合迭代模擬，求解了發(fā)電機的溫度場分布，其內(nèi)部不同位置的損耗與溫度見表3。發(fā)電機的整體溫度場分布基本符合其內(nèi)部空氣的流動規(guī)律，如圖4所示。繞組的整體溫度分布比較均勻，如圖5所示。但在進風口2處的繞組端部溫度較高，主要原因是該處風量較小。一般來說，定子鐵心的體積較大會導致其內(nèi)部散熱比較困難，而采用了徑向通風道的結構后，其溫度場分布如圖6所示?？梢钥闯觯瑥较蛲L道起到了較好的冷卻效果。如圖7所示，由于磁鋼上的渦流損耗很小，所以磁鋼的最高溫度僅為52℃，而且外轉子的結構也更利于轉子散熱。

5 結語

本文以一臺3.3MW，12r/min的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為研究對象，分析其冷卻結構設計和傳熱過程。首先，根據(jù)技術要求，提出了一種適用于外轉子表貼式永磁直驅(qū)發(fā)電機的徑向強制通風冷卻結構。然后，采用迭代仿真的方法，考慮電磁場與溫度場的耦合關系，求解其溫度場的分布。結果表明，該發(fā)電機的溫升主要體現(xiàn)在定子鐵芯和繞組上，最高溫度分別可以控制在89℃和95℃左右。驗證了本文設計的徑向強制通風結構可以使這臺3.3MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的溫升滿足安全運行的要求。

參考文獻

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[2] 張岳，王鳳翔. 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機性能研究[J]. 電機與控制學報，2009，13（1）：78-82.

[3] 丁樹業(yè)，郭保成，孫兆瓊. 永磁風力發(fā)電機通風結構優(yōu)化及性能分析[J]. 中國電機工程學報，2013，33（9）：122-128.

[4] 秦祖和. 3MW直驅(qū)永磁風力發(fā)電機電磁設計與理論規(guī)律研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[5] 佟文明. 大型低速永磁風力發(fā)電機的設計研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學，2012.

作者簡介

李進澤（1967—），男，湖南郴州人，本科，教授級高級工程師，主要研究方向為新能源發(fā)電技術研究、風力發(fā)電機組設計。