[摘" " 要]兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)隨著功率等級(jí)的提升，運(yùn)行溫度升高會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣造成威脅，還會(huì)導(dǎo)致永磁體的不可逆退磁。針對(duì)這一問題，本文基于一臺(tái)3.3MW，12r/min的外轉(zhuǎn)子表貼式永磁電機(jī)，設(shè)計(jì)并建立了其徑向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，采用迭代仿真的方法合理地考慮電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合關(guān)系， 并基于流固耦合的方法對(duì)其溫度場(chǎng)與流體流動(dòng)情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)具有一定的冷卻效果，能夠滿足其安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求，對(duì)兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī);冷卻結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);溫度場(chǎng);流體場(chǎng)

[中圖分類號(hào)]TM315 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

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

本文以一臺(tái)3.3MW，12r/min的外轉(zhuǎn)子表貼式永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一種徑向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，并基于流固耦合的方法，對(duì)電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布以及通風(fēng)道內(nèi)的空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，為兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻方式與傳熱機(jī)理

1.1 冷卻方式

大型發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是決定大型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)可以分為風(fēng)冷和水冷兩種型式，風(fēng)冷系統(tǒng)又可以分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。不同冷卻系統(tǒng)的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)及其設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題見表1。

目前，強(qiáng)迫風(fēng)冷是5MW以下大型永磁發(fā)電機(jī)應(yīng)用的主流，按照冷卻空氣進(jìn)入電機(jī)后的主要路徑，又可分為軸向通風(fēng)系統(tǒng)和徑向通風(fēng)系統(tǒng)。軸向通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，空氣從一端流入，沿軸向流動(dòng)并從另一端流出。這會(huì)使得槽內(nèi)繞組溫度沿軸向分布不均勻，且溫度最高點(diǎn)在出風(fēng)口附近。徑向通風(fēng)系統(tǒng)需要將電機(jī)鐵心分段壓裝，并在段間加入通風(fēng)槽片，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝更加困難，而且電機(jī)鐵心總長需要加長20%左右。但是繞組溫度沿軸向呈對(duì)稱分布，溫度最高點(diǎn)在電機(jī)中段。

1.2 傳熱機(jī)理

電機(jī)的溫升是關(guān)系到電機(jī)使用壽命與運(yùn)行可靠性的重要因素。對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱分析，可以確定電機(jī)中需要冷卻的重點(diǎn)部位，從而更加合理地設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。而且，大型永磁發(fā)電機(jī)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(jī)內(nèi)部的溫度分布也是準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)性能的必要條件。三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)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(dǎo)熱系數(shù)，q為熱源密度，σ為對(duì)流散熱系數(shù)，Tf為周圍流體的溫度。

2 3.3MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于應(yīng)用環(huán)境特殊，可利用空間極小，所以大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，同時(shí)這也是大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。本文采用外轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為了使其達(dá)到良好的冷卻效果，采用圖1所示的風(fēng)路結(jié)構(gòu)。并且在出風(fēng)口處采用設(shè)備吸風(fēng)的形式來保證空氣在發(fā)電機(jī)中的良好循環(huán)，以達(dá)到理想的冷卻效果。本文只關(guān)注發(fā)電機(jī)內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以在仿真計(jì)算過程中，只將其等效為風(fēng)量35000m3/h，環(huán)境溫度為40℃的冷卻方案。

3 3.3MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及損耗計(jì)算

本文中的3.3MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)，其基本參數(shù)見表2。若想準(zhǔn)確進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，首要任務(wù)是要確定電機(jī)的損耗。計(jì)算損耗時(shí)，磁鋼、定子繞組、鐵芯的電磁特性在不同的溫度條件下都會(huì)發(fā)生變化，所以在進(jìn)行電磁場(chǎng)模擬時(shí)，最好選擇最接近實(shí)際溫度的材料的電磁特性。但這在計(jì)算出溫度場(chǎng)之前是不可能的，所以在實(shí)際操作中進(jìn)行迭代模擬，如圖2所示。

4 基于流固耦合的溫度場(chǎng)計(jì)算

4.1 三維溫度場(chǎng)傳熱模型

大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直徑通常很大，且結(jié)構(gòu)呈扁平狀。為了使電機(jī)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(fēng)口均勻分散于電機(jī)的圓周方向。本文中入風(fēng)口1和入風(fēng)口2各沿圓周方向分布24個(gè)，出風(fēng)口沿圓周方向分布8個(gè)。根據(jù)電機(jī)及其通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立3.3MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維溫度場(chǎng)傳熱模型，并取1/4模型作為研究對(duì)象，如圖3所示。

4.2 基本條件與假設(shè)

發(fā)電機(jī)內(nèi)的傳熱過程是非常復(fù)雜的，為了便于進(jìn)行仿真計(jì)算，給出如下基本假設(shè)與邊界條件。

（1）流體域設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，并假設(shè)系統(tǒng)中不存在熱損失。

（2）入風(fēng)口設(shè)置為壓力入口邊界條件，壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，且環(huán)境溫度為40℃。

（3）出風(fēng)口設(shè)置為速度出口邊界條件，風(fēng)速為3.1m/s。

（4）圓周方向兩側(cè)所有對(duì)稱面設(shè)為旋轉(zhuǎn)周期邊界條件。

（5）電機(jī)定子鐵心、繞組和轉(zhuǎn)子磁鋼均為熱源，加載平均損耗密度。

（6）將空氣與轉(zhuǎn)子的所有接觸面設(shè)為旋轉(zhuǎn)移動(dòng)墻，加載轉(zhuǎn)速，模擬轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

4.3 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

基于上述分析和假設(shè)，通過電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合迭代模擬，求解了發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)分布，其內(nèi)部不同位置的損耗與溫度見表3。發(fā)電機(jī)的整體溫度場(chǎng)分布基本符合其內(nèi)部空氣的流動(dòng)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(jìn)風(fēng)口2處的繞組端部溫度較高，主要原因是該處風(fēng)量較小。一般來說，定子鐵心的體積較大會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部散熱比較困難，而采用了徑向通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)后，其溫度場(chǎng)分布如圖6所示。可以看出，徑向通風(fēng)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(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)也更利于轉(zhuǎn)子散熱。

5 結(jié)語

本文以一臺(tái)3.3MW，12r/min的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，分析其冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳熱過程。首先，根據(jù)技術(shù)要求，提出了一種適用于外轉(zhuǎn)子表貼式永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的徑向強(qiáng)制通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。然后，采用迭代仿真的方法，考慮電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合關(guān)系，求解其溫度場(chǎng)的分布。結(jié)果表明，該發(fā)電機(jī)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(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的徑向強(qiáng)制通風(fēng)結(jié)構(gòu)可以使這臺(tái)3.3MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫升滿足安全運(yùn)行的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鳳翔. 永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：12-24.

[2] 張?jiān)溃貘P翔. 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13（1）：78-82.

[3] 丁樹業(yè)，郭保成，孫兆瓊. 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（9）：122-128.

[4] 秦祖和. 3MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與理論規(guī)律研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[5] 佟文明. 大型低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介

李進(jìn)澤（1967—），男，湖南郴州人，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)研究、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)。