邢軍強(qiáng) 汪明武 孔瑩瑩

基于流固耦合的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳熱分析

邢軍強(qiáng) 汪明武 孔瑩瑩

（沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000）

海上的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)逐漸變成一種大趨勢(shì)。大功率的電機(jī)對(duì)裝置的散熱要求很高，因此對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析可以很好地指導(dǎo)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。強(qiáng)迫水冷電機(jī)與自然風(fēng)冷電機(jī)相比具有散熱效果好、噪聲產(chǎn)生少，以及使用壽命更高等優(yōu)點(diǎn)。本文以一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，基于流固耦合和共軛傳熱的分析方法，利用Ansys軟件對(duì)正常工作下的電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，從而得到電機(jī)內(nèi)部主要部件的溫度分布。最終，通過(guò)對(duì)一臺(tái)10MW外轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行流固耦合分析，對(duì)比計(jì)算不同冷卻水流速下的電機(jī)溫升分布，得出冷卻流體流速與電機(jī)溫升的關(guān)系曲線(xiàn)，為電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)提供參考。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；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(fēng)能越來(lái)越受到人們的青睞，尤其是風(fēng)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(gè)需要解決的問(wèn)題[3-4]。對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析可以很好地指導(dǎo)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有限元分析法、熱路法以及簡(jiǎn)化公式法是電機(jī)溫度場(chǎng)的主要計(jì)算方法，目前普遍采用的是有限元分析法[5]。電機(jī)溫度計(jì)算的難點(diǎn)在于必須先根據(jù)流體場(chǎng)分析確定不同情況下的電機(jī)各個(gè)部分的散熱系數(shù)。在外加強(qiáng)迫冷卻時(shí)，電機(jī)的這些參數(shù)除了和電機(jī)材料本身的參數(shù)有關(guān)以外，還和電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)密切相關(guān)[6]，特別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和氣隙之間的的傳熱系數(shù)，需要大量的公式推導(dǎo)計(jì)算才能確定下來(lái)。

本文利用流固耦合共軛傳熱的原理通過(guò)判別流體氣隙的流動(dòng)狀態(tài)，算出氣隙層的等效熱導(dǎo)率e，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式算出電機(jī)主要部分的損耗。最后，以一臺(tái)10MW永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)為例，在管道入口處通以不同水流速，對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，并進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證方法的有效性。

1 流固耦合電機(jī)傳熱分析

1.1 計(jì)算原理

電機(jī)傳熱過(guò)程主要有固體熱傳導(dǎo)、流體熱對(duì)流和流固共軛傳熱等。流體部分控制方程包括

1）質(zhì)量守恒方程

式中：為流體的密度；為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；為流體運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于密度變化可以忽略不計(jì)的不可壓縮流體，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為

2）動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)湍流模型

在標(biāo)準(zhǔn)的模型中，和由如下兩個(gè)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(dòng)能。

與流體區(qū)域相比，固體區(qū)域的計(jì)算公式相對(duì)簡(jiǎn)單些，僅有熱量的傳遞過(guò)程，由下式計(jì)算

式中：為比焓；為密度；為導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)和固體導(dǎo)熱系數(shù)；為流固耦合面法向量；f和s分別為流體一側(cè)和固體一側(cè)的單位體積損耗。

1.2 模型建立

1）假設(shè)條件

為了合理簡(jiǎn)化計(jì)算，做出以下基本假設(shè)：

（1）各部件的損耗均勻分布。

（2）軸承處的機(jī)械損耗較大，電機(jī)內(nèi)部機(jī)械損耗相對(duì)較小，本文主要研究電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫升，因此忽略軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械損耗。

（3）電機(jī)輻射散熱非主要傳熱方式，計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)可忽略不計(jì)。

（4）忽略因電機(jī)溫度變化引起的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的變化。

2）邊界條件

分別設(shè)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(duì)速度為0，即無(wú)滑移邊界。根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，設(shè)轉(zhuǎn)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(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)殼、繞組、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。所涉及到的材料有銅、鐵、永磁材料、硅鋼等。考慮到大功率永磁發(fā)電機(jī)的直徑尺寸較大，所需要的機(jī)械強(qiáng)度也更高，定子和轉(zhuǎn)子沖片適宜采用磁飽和性能相對(duì)更好的冷軋硅鋼片。電機(jī)永磁材料的選取應(yīng)既能保證電機(jī)氣隙中有足夠大的氣隙磁場(chǎng)且滿(mǎn)足規(guī)定的電機(jī)性能指標(biāo)，也要保證經(jīng)濟(jì)性。電機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料的選取見(jiàn)表1。

表1 10MW外轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料

2 永磁直驅(qū)同步電機(jī)損耗計(jì)算

2.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的指標(biāo)見(jiàn)表2。

因農(nóng)作物對(duì)鈣的吸收是被動(dòng)吸收，土壤中的鈣是通過(guò)蒸騰拉力隨水一起進(jìn)入作物體內(nèi)。尤其陰雨天氣較多時(shí)，作物蒸騰作用會(huì)降低很多，就會(huì)影響作物對(duì)鈣的吸收。這時(shí)及時(shí)補(bǔ)充鈣肥可促進(jìn)根系發(fā)育，培育健壯植株，促進(jìn)花芽分化。

表2 10MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

確定了額定轉(zhuǎn)速和功率后，電機(jī)的主要尺寸由負(fù)荷來(lái)確定，電機(jī)主要尺寸計(jì)算公式為[9]

式中：t為鐵心的計(jì)算長(zhǎng)度；il為定子的內(nèi)徑；為電機(jī)計(jì)算功率；為電機(jī)總電流；為極弧系數(shù)；為磁波系數(shù)；為額定轉(zhuǎn)速；dp為繞組系數(shù)；為氣隙大小。

發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表3。

2.2 損耗計(jì)算

1）繞組損耗計(jì)算

定子繞組損耗可以根據(jù)下式計(jì)算[10]

表3 發(fā)電機(jī)主要設(shè)計(jì)尺寸

式中，s為高頻時(shí)導(dǎo)線(xiàn)的集膚效應(yīng)系數(shù)，由于直驅(qū)電機(jī)頻率較低，忽略趨膚效應(yīng)即s為1。

2）鐵心損耗計(jì)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(jì)算

永磁體的渦流損耗可以根據(jù)下式計(jì)算[11]

式中：z為z向的電流密度；為永磁體電導(dǎo)率。

通過(guò)計(jì)算，得到電機(jī)在額定工況下工作的主要損耗值，見(jiàn)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(chǎng)計(jì)算模型總發(fā)熱量與磁場(chǎng)計(jì)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(chǎng)計(jì)算

根據(jù)有限體積法，建立10MW永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)流體場(chǎng)模型，根據(jù)對(duì)稱(chēng)取電機(jī)的1/16建模，模型如圖1所示，圖2所示為剖分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖1 電機(jī)水冷計(jì)算模型

圖2 網(wǎng)格劃分

電機(jī)在工作的過(guò)程中，定子和轉(zhuǎn)子是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。定子與轉(zhuǎn)子之間的換熱系數(shù)難以確定。假設(shè)定轉(zhuǎn)子之間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這樣定轉(zhuǎn)子之間的氣隙層變成了一個(gè)靜止氣隙層。該處的傳熱過(guò)程將由原來(lái)的對(duì)流換熱轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似固體的熱傳導(dǎo)。本文氣隙層的導(dǎo)熱系數(shù)e根據(jù)流體流動(dòng)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(zhuǎn)子內(nèi)徑；1為轉(zhuǎn)速；為氣隙厚度；為空氣粘度系數(shù)。

當(dāng)?shù)刃庀秾拥睦字Z數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，即此時(shí)氣隙內(nèi)流體為層流流動(dòng)，可取等效熱導(dǎo)率為空氣的熱導(dǎo)率；當(dāng)?shù)刃庀秾拥睦字Z數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時(shí)，即氣隙內(nèi)為紊流流動(dòng)，等效熱導(dǎo)率按下式計(jì) 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(jì)算得到的等效熱導(dǎo)率為0.2W/（m·K）。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)建立溫度場(chǎng)分析模型，取垂直水管的截面和水管中心線(xiàn)連線(xiàn)的曲面的溫度場(chǎng)來(lái)觀(guān)察散熱情況，如圖3所示。通過(guò)控制不同的入口水流速，進(jìn)而得到不同的電機(jī)溫度場(chǎng)云圖。

圖3 溫度場(chǎng)截面位置示意圖

1）無(wú)水冷時(shí)

無(wú)水冷時(shí)，主截面上的溫度云圖如圖4所示。因模型簡(jiǎn)化成靜止?fàn)顟B(tài)，且無(wú)水冷時(shí)電機(jī)主要靠空氣自然對(duì)流散熱，故對(duì)實(shí)際結(jié)果影響較大，此狀態(tài)下的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果僅用作對(duì)比參考。

圖4 無(wú)水冷時(shí)溫度場(chǎng)云圖

2）電機(jī)水冷

入口水流速為0.1m/s時(shí)，其主截面上的溫度場(chǎng)如圖5所示?？梢钥吹?，穩(wěn)定時(shí)最高溫度為111.2℃。由于定轉(zhuǎn)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(xiàn)曲面溫度場(chǎng)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(guò)改變流體流速，基于流體場(chǎng)溫度場(chǎng)分析可知，定轉(zhuǎn)子及繞組的溫度有明顯的變化，因此基于以上研究，針對(duì)不同流速時(shí)電機(jī)溫升變化及趨勢(shì)，進(jìn)行對(duì)比計(jì)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(shí)溫度場(chǎng)云圖。

基于流體場(chǎng)軟件對(duì)電機(jī)溫升計(jì)算，得出不同流速時(shí)電機(jī)溫升與冷卻液體流速及流速與水管進(jìn)出口壓降的關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，隨著進(jìn)口水流速的增加，發(fā)電機(jī)的最高溫度下降得十分緩慢，基本維持在95.9℃，計(jì)算表明水冷效果已經(jīng)達(dá)到了極限水平，再增加入口水流速也不能明顯降低電機(jī)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(huì)增加不必要的成本。

圖5 溫度場(chǎng)云圖

圖6 水管截面溫度場(chǎng)云圖

圖7 流速為0.3m/s電機(jī)溫升分布圖

圖8 流速為1.0m/s電機(jī)溫升分布圖

圖9 流速為3.0m/s電機(jī)溫升分布圖

圖10 流速為5.0m/s電機(jī)溫升分布圖

圖11 主截面最高溫度隨流速變化曲線(xiàn)

圖12 水管壓降隨流速變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文通過(guò)電機(jī)傳熱的基本原理，計(jì)算了定子繞組損耗、鐵心損耗以及永磁體渦流損耗。以一臺(tái)10MW永磁同步發(fā)電機(jī)為例，給出了水冷電機(jī)的模型，基于流固耦合進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，得到以下結(jié)論：

1）基于流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)電機(jī)溫升，為電機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2）定轉(zhuǎn)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(yàn)證了水冷方式是大型電機(jī)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(shì)逐漸變緩，但水管的壓降明顯增加，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)性。

4）基于流固耦合對(duì)一臺(tái)10MW外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，分析得出當(dāng)冷卻流速控制在1m/s時(shí)，即可滿(mǎn)足電機(jī)溫升要求；計(jì)算證明外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用定子水冷能夠滿(mǎn)足大容量電機(jī)溫升安全運(yùn)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(qiáng)（1979—），男，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，主要從事高電壓絕緣及永磁直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)研究工作。