□ 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(fā)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展，風力發(fā)電機的容量在不斷增大，與此同時，風力發(fā)電機的熱負荷也在不斷提高。

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

筆者針對一款大功率半直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)進行設(shè)計，提出一種由水冷與空冷相結(jié)合的冷卻形式，并應(yīng)用仿真分析軟件對發(fā)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(fā)電機冷卻空氣的溫度場分布情況，總結(jié)了相應(yīng)的分布規(guī)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(qū)永磁風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考。

2　風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)

2.1　主要熱源

由于半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生損耗，因此發(fā)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(fā)電機在運行時，電流通過繞組所產(chǎn)生的損耗。 銅耗密度 PCu為［9］：

式中：m為發(fā)電機相數(shù)；I為發(fā)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(fā)電機每相繞組電阻值；a為銅線繞組的溫度系數(shù)；Tr為發(fā)電機工作時的繞組溫度。

鐵耗是交變磁場穿過發(fā)電機定子鐵心時產(chǎn)生的損耗，一般包括渦流損耗和磁滯損耗。單位質(zhì)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(shù)，指Bm=1 T、f=50 Hz時，1 kg硅鋼片的鐵耗；β為頻率指數(shù)，一般取 β=1.2～1.6。

半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)中，永磁體置入轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子不需要供電。雖然永磁體會產(chǎn)生穿過定子鐵心的磁通，但是轉(zhuǎn)子鐵耗比較小，在設(shè)計時可以忽略不計。

2.2　冷卻系統(tǒng)設(shè)計

半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的主要發(fā)熱體是由發(fā)電機繞組、鐵心組成的發(fā)電機定子，散熱形式是發(fā)電機定子中產(chǎn)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(fā)至發(fā)電機定子周圍介質(zhì)中。

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

▲圖1 半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機定子產(chǎn)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(fā)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(tǒng)允許發(fā)電機承受更高的電磁負荷，可以提高材料利用率，并且使發(fā)電機具有損耗低和噪聲低等優(yōu)點［11］。實際設(shè)計時，還需要從經(jīng)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(shè)計，即水道與風道帶走的熱量比為1.5。發(fā)電機單位時間內(nèi)總發(fā)熱量為48.3 kW，冷卻介質(zhì)水的溫升設(shè)計值是5 K，冷卻介質(zhì)風的溫升設(shè)計值是20 K。

冷卻介質(zhì)流量qv為：

式中：Σph為冷卻介質(zhì)帶走的總熱量；ca為冷卻介質(zhì)比熱容；Δτα為冷卻介質(zhì)溫升。

根據(jù)式 （3）計算得到冷卻介質(zhì)風的流量為0.878 m3/s，冷卻介質(zhì)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(fā)電機設(shè)計初期，發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為帶有集中參數(shù)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?？梢院唵斡嬎愠鲨F心和繞組的平均溫度，但都不能反映溫度的分布情況。在發(fā)電機具體設(shè)計階段，一般采用數(shù)值計算法。數(shù)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(nèi)全部節(jié)點的溫度，也即得到發(fā)電機部件內(nèi)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(shù)值計算法，其表達式為：

式中：λ為零部件的導熱系數(shù)；T為求解區(qū)域內(nèi)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(nèi)單位體積的發(fā)熱量；τ為時間；T0為邊界面S1上的設(shè)定溫度；α為對流換熱邊界面S2上的換熱系數(shù)；Tf為對流換熱邊界面S2周圍的介質(zhì)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(shù)。

3.2　有限元仿真模型主要參數(shù)

去除發(fā)電機端蓋后的仿真計算模型如圖2所示，主要參數(shù)見表1、表2。

表1　仿真計算模型材料導熱系數(shù) W·（m·K）-1

在有限元計算時，環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，進風口溫度設(shè)置為55℃，進水口溫度設(shè)置為45℃。

3.3　溫度場計算結(jié)果

通過仿真分析，得到發(fā)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(nèi)發(fā)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(nèi)發(fā)熱量為27.588 kW。可見，水道與風道帶走的熱量比為1.37。發(fā)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(shù)據(jù)對比

對發(fā)電機水道進出口和風道進出口溫度等的設(shè)計值與仿真值進行對比，結(jié)果見表3。

表3　發(fā)電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計值和仿真值對比

由表2可以看出，半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)基本滿足設(shè)計要求。

5　結(jié)論

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

（2）建立了半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的仿真計算模型，對其進行數(shù)值分析，得到了冷卻介質(zhì)進出口處的溫升數(shù)據(jù)，進而得到發(fā)電機冷卻系統(tǒng)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(nèi)帶走的熱量為20.118 kW，比設(shè)計值大；而冷卻水單位時間內(nèi)帶走的熱量設(shè)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(fā)電機機座散發(fā)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(shè)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(yīng)用的。

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