邢軍強 汪明武 孔瑩瑩

基于流固耦合的永磁直驅風力發(fā)電機傳熱分析

邢軍強 汪明武 孔瑩瑩

（沈陽工程學院，沈陽 110000）

海上的風力發(fā)電已經逐漸變成一種大趨勢。大功率的電機對裝置的散熱要求很高，因此對電機進行溫度場分析可以很好地指導電機冷卻系統(tǒng)的設計。強迫水冷電機與自然風冷電機相比具有散熱效果好、噪聲產生少，以及使用壽命更高等優(yōu)點。本文以一臺外轉子永磁直驅風力發(fā)電機組為研究對象，基于流固耦合和共軛傳熱的分析方法，利用Ansys軟件對正常工作下的電機進行溫度場分析，從而得到電機內部主要部件的溫度分布。最終，通過對一臺10MW外轉子電機進行流固耦合分析，對比計算不同冷卻水流速下的電機溫升分布，得出冷卻流體流速與電機溫升的關系曲線，為電機冷卻設計提供參考。

永磁直驅風力發(fā)電機；傳熱分析；流固耦合

0 引言

作為一種可再生的清潔能源，海上風能越來越受到人們的青睞，尤其是風力發(fā)電[1-2]。永磁體在高溫的環(huán)境下容易失去磁性，因此永磁體的散熱是一個需要解決的問題[3-4]。對電機進行溫度場分析可以很好地指導電機冷卻系統(tǒng)的設計。有限元分析法、熱路法以及簡化公式法是電機溫度場的主要計算方法，目前普遍采用的是有限元分析法[5]。電機溫度計算的難點在于必須先根據(jù)流體場分析確定不同情況下的電機各個部分的散熱系數(shù)。在外加強迫冷卻時，電機的這些參數(shù)除了和電機材料本身的參數(shù)有關以外，還和電機風路設計密切相關[6]，特別是發(fā)電機轉子和氣隙之間的的傳熱系數(shù)，需要大量的公式推導計算才能確定下來。

本文利用流固耦合共軛傳熱的原理通過判別流體氣隙的流動狀態(tài)，算出氣隙層的等效熱導率e，并根據(jù)經驗公式算出電機主要部分的損耗。最后，以一臺10MW永磁直驅同步發(fā)電機為例，在管道入口處通以不同水流速，對電機進行溫度場分析，并進行對比，驗證方法的有效性。

1 流固耦合電機傳熱分析

1.1 計算原理

電機傳熱過程主要有固體熱傳導、流體熱對流和流固共軛傳熱等。流體部分控制方程包括

1）質量守恒方程

式中：為流體的密度；為運動時間；為流體運動速度。對于密度變化可以忽略不計的不可壓縮流體，連續(xù)性方程簡化為

2）動量守恒方程

3）能量守恒方程

式中：S為能量源；為流體的比焓。

4）標準湍流模型

在標準的模型中，和由如下兩個方程確定[8]。

式（7）和式（8）中，G和G分別為由平均速度梯度和浮力引起的湍動能。

與流體區(qū)域相比，固體區(qū)域的計算公式相對簡單些，僅有熱量的傳遞過程，由下式計算

式中：為比焓；為密度；為導熱系數(shù)；為固體區(qū)域溫度；為單位體積損耗。

在流-固界面上溫度和熱流密度相等。具體控制方程式為

式中：f和s分別為流體溫度和固體溫度；f和s分別為流體導熱系數(shù)和固體導熱系數(shù)；為流固耦合面法向量；f和s分別為流體一側和固體一側的單位體積損耗。

1.2 模型建立

1）假設條件

為了合理簡化計算，做出以下基本假設：

（1）各部件的損耗均勻分布。

（2）軸承處的機械損耗較大，電機內部機械損耗相對較小，本文主要研究電機定轉子溫升，因此忽略軸承旋轉產生的機械損耗。

（3）電機輻射散熱非主要傳熱方式，計算溫度場時可忽略不計。

（4）忽略因電機溫度變化引起的電導率和熱導率的變化。

2）邊界條件

分別設管道入口水流速為0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s、4.5m/s和5.0m/s，入口水溫20℃。水管出口為壓力出口邊界條件。流體在壁面的相對速度為0，即無滑移邊界。根據(jù)轉子運動的轉速，設轉子外表面處空氣流速為3.8m/s。

3）材料屬性

永磁同步發(fā)電機主要由轉子、定子、機殼、繞組、轉軸構成。所涉及到的材料有銅、鐵、永磁材料、硅鋼等?？紤]到大功率永磁發(fā)電機的直徑尺寸較大，所需要的機械強度也更高，定子和轉子沖片適宜采用磁飽和性能相對更好的冷軋硅鋼片。電機永磁材料的選取應既能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場且滿足規(guī)定的電機性能指標，也要保證經濟性。電機主要結構材料的選取見表1。

表1 10MW外轉子風力發(fā)電機主要結構材料

2 永磁直驅同步電機損耗計算

2.1 電機參數(shù)設計

風力發(fā)電機的指標見表2。

因農作物對鈣的吸收是被動吸收，土壤中的鈣是通過蒸騰拉力隨水一起進入作物體內。尤其陰雨天氣較多時，作物蒸騰作用會降低很多，就會影響作物對鈣的吸收。這時及時補充鈣肥可促進根系發(fā)育，培育健壯植株，促進花芽分化。

表2 10MW風力發(fā)電機設計指標

確定了額定轉速和功率后，電機的主要尺寸由負荷來確定，電機主要尺寸計算公式為[9]

式中：t為鐵心的計算長度；il為定子的內徑；為電機計算功率；為電機總電流；為極弧系數(shù)；為磁波系數(shù)；為額定轉速；dp為繞組系數(shù)；為氣隙大小。

發(fā)電機的主要設計尺寸見表3。

2.2 損耗計算

1）繞組損耗計算

定子繞組損耗可以根據(jù)下式計算[10]

表3 發(fā)電機主要設計尺寸

式中，s為高頻時導線的集膚效應系數(shù)，由于直驅電機頻率較低，忽略趨膚效應即s為1。

2）鐵心損耗計算

式中：Fe為鐵耗；為頻率；p為磁密最大值；h、c、e分別為磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)和異常損耗系數(shù)。

3）永磁體渦流損耗計算

永磁體的渦流損耗可以根據(jù)下式計算[11]

式中：z為z向的電流密度；為永磁體電導率。

通過計算，得到電機在額定工況下工作的主要損耗值，見表4。本文將雜散損耗按照比例折算到其他部件中，使溫度場計算模型總發(fā)熱量與磁場計算值相同。

表4 額定工況下主要部件損耗值和單位體積損耗

3 基于流固耦合的溫度場計算

根據(jù)有限體積法，建立10MW永磁直驅同步發(fā)電機流體場模型，根據(jù)對稱取電機的1/16建模，模型如圖1所示，圖2所示為剖分六面體結構化網格。

圖1 電機水冷計算模型

圖2 網格劃分

電機在工作的過程中，定子和轉子是相對運動的。定子與轉子之間的換熱系數(shù)難以確定。假設定轉子之間處于相對靜止狀態(tài)，這樣定轉子之間的氣隙層變成了一個靜止氣隙層。該處的傳熱過程將由原來的對流換熱轉變?yōu)轭愃乒腆w的熱傳導。本文氣隙層的導熱系數(shù)e根據(jù)流體流動狀態(tài)的不同做如下處理：

等效氣隙的雷諾數(shù)

氣隙的臨界雷諾數(shù)

式中：1、2分別為定子外徑和轉子內徑；1為轉速；為氣隙厚度；為空氣粘度系數(shù)。

當?shù)刃庀秾拥睦字Z數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，即此時氣隙內流體為層流流動，可取等效熱導率為空氣的熱導率；當?shù)刃庀秾拥睦字Z數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時，即氣隙內為紊流流動，等效熱導率按下式計 算[12]

本文模型氣隙層的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)，由式（17）計算得到的等效熱導率為0.2W/（m·K）。

通過以上數(shù)據(jù)建立溫度場分析模型，取垂直水管的截面和水管中心線連線的曲面的溫度場來觀察散熱情況，如圖3所示。通過控制不同的入口水流速，進而得到不同的電機溫度場云圖。

圖3 溫度場截面位置示意圖

1）無水冷時

無水冷時，主截面上的溫度云圖如圖4所示。因模型簡化成靜止狀態(tài)，且無水冷時電機主要靠空氣自然對流散熱，故對實際結果影響較大，此狀態(tài)下的溫度場計算結果僅用作對比參考。

圖4 無水冷時溫度場云圖

2）電機水冷

入口水流速為0.1m/s時，其主截面上的溫度場如圖5所示?？梢钥吹?，穩(wěn)定時最高溫度為111.2℃。由于定轉子之間的空氣層熱阻較大，所以此處溫度梯度很大。此外定子由于水冷的作用出現(xiàn)了明顯的溫度下降，最高溫度部分出現(xiàn)在繞組和定子的頂部。水管中心連線曲面溫度場云圖如圖6所示。從圖6可以看出，由于水管不是等距排列，兩水管間的鐵心最高溫度存在差異。

通過改變流體流速，基于流體場溫度場分析可知，定轉子及繞組的溫度有明顯的變化，因此基于以上研究，針對不同流速時電機溫升變化及趨勢，進行對比計算，圖7—圖10分別為入口水流速0.3m/s、1.0m/s、3.0m/s及5.0m/s時溫度場云圖。

基于流體場軟件對電機溫升計算，得出不同流速時電機溫升與冷卻液體流速及流速與水管進出口壓降的關系曲線分別如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，隨著進口水流速的增加，發(fā)電機的最高溫度下降得十分緩慢，基本維持在95.9℃，計算表明水冷效果已經達到了極限水平，再增加入口水流速也不能明顯降低電機溫度。且隨著水流速的增加，水管壓降明顯增加。所以，盲目增加水流速不但起不到理想的冷卻效果，反而會增加不必要的成本。

圖5 溫度場云圖

圖6 水管截面溫度場云圖

圖7 流速為0.3m/s電機溫升分布圖

圖8 流速為1.0m/s電機溫升分布圖

圖9 流速為3.0m/s電機溫升分布圖

圖10 流速為5.0m/s電機溫升分布圖

圖11 主截面最高溫度隨流速變化曲線

圖12 水管壓降隨流速變化曲線

4 結論

本文通過電機傳熱的基本原理，計算了定子繞組損耗、鐵心損耗以及永磁體渦流損耗。以一臺10MW永磁同步發(fā)電機為例，給出了水冷電機的模型，基于流固耦合進行溫度場分析，得到以下結論：

1）基于流體場和溫度場耦合分析可以較為準確地估計電機溫升，為電機的設計提供依據(jù)。

2）定轉子之間的空氣層熱阻較大，所以此處溫度梯度很大，最高溫度部分出現(xiàn)在繞組和定子的頂部。此外定子由于水冷的作用出現(xiàn)了明顯的溫度下降，驗證了水冷方式是大型電機的有效冷卻方案。

3）隨著入口水流速增加，最高溫度繼續(xù)降低的趨勢逐漸變緩，但水管的壓降明顯增加，所以在設計時要考慮經濟性。

4）基于流固耦合對一臺10MW外轉子永磁電機進行分析計算，分析得出當冷卻流速控制在1m/s時，即可滿足電機溫升要求；計算證明外轉子結構永磁風力發(fā)電機采用定子水冷能夠滿足大容量電機溫升安全運行的要求。

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Heat transfer analysis of permanent magnet direct drive wind generator based on fluid-solid coupling

XING Junqiang WANG Mingwu KONG Yingying

(Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110000)

Offshore wind power is regarded as an important part of the future large-scale renewable power generation portfolio, and offshore wind power is the main development direction of the future wind power industry. The high power generator has a high requirement on the unit heat dissipation, so the temperature field analysis of the generator can be a good guide for the design of the generator cooling system. Compared with the natural air-cooled generator, the forced water-cooled generator has the advantages of better heat dissipation, less noise and longer service life. In this paper, an external rotor permanent magnet direct drive wind generator is taken as the research object. Based on the analysis method of fluid-solid coupling and conjugate heat transfer, the temperature field of thegenerator under normal operation is analyzed by using ANSYS software, so as to obtain the temperature distribution of the main components in the generator. Finally, through the fluid structure coupling analysis of a 10MW external rotor generator, the temperature rise distribution of generator under different cooling water flow rates is compared and calculated, and the relationship curve between cooling fluid flow rate and generator temperature rise is obtained, which provides reference for generator cooling design.

permanent magnet direct-drive wind generator; heat transfer analysis; fluid-solid coupling

2020-06-18

2020-07-24

邢軍強（1979—），男，博士，副教授，研究生導師，主要從事高電壓絕緣及永磁直驅電機設計研究工作。