3MW永磁风力发电机内部传热特性研究

丁树业，苗立杰，徐殿国，陈卫杰

(1. 哈尔滨电气集团公司，哈尔滨150040；2. 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，哈尔滨150001；3. 哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨150080)

引言

我国风力发电装机增速已经处于世界领先位置，风力发电机的单机容量也从千瓦级过渡到兆瓦级，并且具有向永磁化发展的趋势[1]。但是，随着发电机单机容量的增加，电机电磁负荷及损耗日趋增加，温升也大幅度地提高。因此，为了有效地防止温升过高而导致电机绝缘材料性能下降、绝缘损坏以及永磁材料退磁等现象的发生，在设计过程中必须对电机温升进行详细地研究[2]。

近年来，专家采用有限元法或有限体积元法对大型水轮发电机以及汽轮发电机定转子的温升问题进行了卓有成效的研究，同时也对影响发电机温升的相关因素进行了讨论，这些研究为本文的理论分析提供有效地借鉴[3-5]。文献[6，7]对永磁同步发电机定子二维温度场进行了数值研究，对绝缘结构、绝缘老化程度以及铁心材料的性能等因素变化对电机温升的影响程度进行了阐述。

本文以一台 3MW 永磁风力发电机为例，建立了电机定转子半个轴向段内温度场计算物理模型，利用有限体积元法对其进行了数值计算。通过对数值结果的分析研究，得出了一些在风力发电机设计中可以参考的研究结果。

1 流固耦合数学模型

本文采用强耦合方法对电机内流体场与温度场进行数值计算，因此确定耦合参量是其关键问题，需要进行一系列的数学描述。

1.1 流体场及温度场基本方程

电机内流体流动属于定常、粘性、不可压缩的紊流流动。除了流体流动要遵守流体的基本控制方程之外，还要遵守附加的紊流输运方程。由此在直角坐标系中可以写出流体通用控制方程如下。

通用控制方程的展开形式为：

式中：u为速度矢量；u、v以及w为速度在x、y以及z方向上的分量，m/s；ρ为流体密度， k g/m3；φ为通用变量，对于不同的控制方程，可以分别代表1、u、k（脉动动能）、ε（能量耗散率）以及TL（流体待求温度，oC）等求解变量；Γ为广义扩展系数；S为广义源项。

针对各向异性材料，由传热学基本原理可以写出求解域内稳态温度场基本方程及其边界条件[4]：

式中：T为固体待求温度，oC；λx、λy、λz为求解域内各种材料沿x、y以及z方向的导热系数，W/(m·K )；qV为求解域内各体热源密度之和，W /m3；α为散热表面的散热系数， W /(m2·K )；Tf为散热面周围流体的温度，oC；Sj、Ss分别为为绝热和散热面。

1.2 流体场与温度场的耦合

发电机内部产生的能量损耗，以传导的方式在电机内固体之间进行能量传递后，大部分损耗由与固体表面相接触的流体以对流传热的方式带走。在此过程中不仅电机部件（部位）的温升增加，而且冷却介质的温升也会有所增加，也即Tf上升。在实际分析中流体对固体的冷却能力主要由散热系数α来体现，由文献[2]可知，α不仅与流体流速、流体流经通道的形状及粗糙程度有关，而且与Tf密切相关，因此随着上述Tf的升高，α将随之下降，则此时冷却介质对发电机的冷却能力有所降低。

可见，发电机的发热与冷却过程，即发电机内部流体场与温度场的耦合问题是一个非常复杂的物理过程。而其中起到耦合作用的参量除了与固体表面相接触的冷却介质温度Tf外，起最主要的作用的是散热系数α。采用对发电机内流体以及固体直接耦合的方式求解温度场的做法实现了不同参数之间的内部耦合，这种方法恰好有效地解决了上述的复杂问题，改变了以往在处理此类问题上的不足。

2 求解模型的确立

2.1 基本假设

为了合理地简化求解问题，在确定温度场求解域之前，需要做如以下基本假设[3-5]。

1）定子槽中线棒上下层股线的电流是同相的，在同一时间内流过的电流相同，涡流对定子股线的影响相同；

2）转子各个磁极磁钢周向接触间隙很小，将转子磁钢视为一个整体；

3）定子结构以及外风路沿轴向中心截面对称，外风路的冷却空气在两个半轴向段的温升相同；

4）忽略发电机定子端部绕组的作用，将定子线棒上下层股线分别视为一个整体；

5）外风路对整个圆周区域的冷却效果相同。

2.2 求解域及边界条件

根据发电机的结构特点及基本假设。取发电机的半个轴向段，周向以发电机定子的一个整槽两个半齿所对应的圆弧区域为电机内流体及固体直接耦合求解温度场的求解域，求解域结构如图1所示。

在图1中，S1、S2以及S3、S4分别为内外风路的入口和出口边界，且内外风路均为速度入口边界，而内外风路均为压力出口边界条件，而固体壁面为无滑移边界条件。S5、S6以及S7（轴向中心截面）为绝热面，其余表面均为散热表面。

图1 三维温度场的求解域

3 温度场计算结果及传热特性分析

3.1 流体场及整域温升特性分析

1）流速分布特性分析

发电机的冷却效果即电机内温度分布特性由冷却介质的分布性能决定，所以有必要首先对求解域内流体场进行分析。

图2为求解域内定子槽中心截面处流体流速分布。由图2可以看出：外风路冷却空气的速度最大，在外风路的轴向通风管内流体流速几乎没有变化。这是由于冷却空气的比热较小，要有效地将内风路冷却空气的能量带走，外风路需要较大的流量。而内风路冷却空气的速度沿其流经路径变化很大。在转子气腔内沿轴向变化较为明显，主要是由于轴向中心截面挡风板的存在引起的。由于定转子通风沟的截面较小，内风路空气在此范围内特别是在定子径向通风沟的出口处形成了显著的尾流现象。内风路流体流速变化较为平缓。

图2 流速分布

2）整域内温升特性分析

图3为整个求解域内流体以及固体区域的温升空间分布特性图。从图3可以看出：在整个求解域范围内温升变化比较剧烈，定子部位的温升较大，而转子磁钢、以及转子铁心温升较小。内风路流体温升虽然较固体区域的低，但是其变化明显，在转子铁心下部支架气腔内以及气隙入口处的温升很低，当空气冷却定转子后，其温升获得了较高的上升，然后经过外风路的冷却后，温升又有所降低。外风路在整个流经途中的温升变化不大。

3.2 径向温升分布特性及分析

为了研究在整个求解域内不同位置处温升的变化情况，本文对求解域内流体以及固体温升变化特性进行了如下详细地研究。

1）轴向中心截面的温升分布规律

通过数值分析，针对轴向中心截面的温升分布，定转子及内外风路的冷却空气温升沿电机圆周方向变化不大，沿定子槽中心线呈对称分布，但是沿发电机径向高度方向的温升变化明显。由于转子损耗较小，且此处冷却空气温升较低，因此转子铁心以及磁钢的整体温升较小，磁钢最高温升为38K。气隙内不仅有从转子径向通风道内流入的冷却空气，还有气隙轴向流入的冷却空气，且该处空气仅对转子部分进行了冷却，故气隙处的空气温升也比较低。定子铜耗及铁耗较大，最高温升位于定子线棒下层股线上，为74K，定子铁心的温升也较大。定子铁轭外围冷却空气流动性能较差，此处空气温升变化剧烈。

图4为轴向中心截面中定子槽中心线位置温升随径向高度的变化特性曲线。

从图 4可以看出：从转子支架气腔内流入的冷却空气温升很低，此空气直接与发电机转子铁心相接触，在此很小的径向高度范围内冷却空气的温升几乎按线性关系速升。在转子径向区域内，转子铁心及转子磁钢温升变化缓慢，转子铁心最低温升为33K。而在气隙处空气温升为19K。由于定子上层线棒冷却效果较好，温升为 71K，而下层线棒温升比上层略高。在定子定心轭部外侧的内风路冷却空气冷却定子铁心和线棒后温升约为24K。

图4 铁心段内定子槽中心线的温升分布

2）通风沟内温升分布特性

针对计算结果的分析可知，靠近轴中心截面的第一个径向通风沟的中心截面温升分布与轴向中心截面相似，在此截面上温升依然沿定子槽中心线成对称分布。最高温升位于定子下层线棒上。由于线棒周边均有较低温升的冷却空气的存在，因此无论是槽楔还是定子主绝缘温升变化均较明显。而在冷却介质所在的区域温升较低，并且变化趋势平缓。图5为径向通风沟截面中定子槽中心线位置温升随径向高度的变化特性曲线。

图5 径向通风沟内定子槽中心线的温升分布

由图5温升变化规律与图4基本相似，但是由于在径向通风沟内除线棒和槽楔之外均为冷却介质，在槽楔以下的径向高度上空气温升呈线性增加。而在0.45m以下区域温升略高，主要是由靠近轴向中心截面位置第一个铁心段范围内转子气腔内冷却空气回流所引起。因为定子线棒在径向通风沟内的作用相当于绕流性物体，所以在其尾部形成流体的涡流区，在此处的冷却效果降低，从而在定子线棒尾部区域产生温升的波动现象。随后内风路冷却空气的温升缓慢下降，其变换规律及数值与图5所述结果相同。由于距离轴向中心截面的距离很小，所以外风路冷却空气的温升与图5的特性相比，几乎没有变化。

3.3 定子温升沿轴向分布特性分析

由前述的分析知道，温度场的最高温升位于定子股线上，而转子铁心及转子磁钢的整体温升较低。所以在本部分中仅对定子线棒的温升特性进行研究。

图 6为定子上下层线棒中心点沿轴向位置温升变化特性曲线。

图6 线棒轴向温升分布

通过图6及对其分布特性进行分析可以看出：定子下层线棒的中线点的温升为73.6K，与温度场的最高温升相差很小，所以以定子上、下层线棒中心点位置为取样位置研究做法合理，能够体现线棒的最高温升的变化状态。定子上下层线棒中心点的温升沿轴向的具有相同的变化规律，即最高温升均位于轴向中心截面上，而沿着轴向位置的改变呈现非线性的下降。并且温升变化特性曲线沿轴向有波动的现象，体现了处于定子径向通风沟内的线棒的冷却效果要比处于定子铁心段内线棒的冷却效果好的特点。从数值上而言，定子上下层线棒的温升沿轴向的降落分别为 8.4K和8.3K，说明冷却介质沿径向对定子上下层线棒的冷却效果一致。

4 结论

本文通过对 3MW 大型永磁风力发电机温度场的数值计算和特性分析，主要可以得到如下结论：

1）本文所采用的流体与固体耦合直接求解电机内的温度场进行求解的方法，可以有效地避免在温度场计算过程中，应用流体相似原理或经验公式的方法获取耦合参量α以及假设Tf沿某一方向线性变化的不利因素，实现了在计算过程中参量的直接耦合；

2）定子线棒的温升最大值在绝缘等级的温升极值范围内，发电机内温度场的计算结果表明该发电机温升满足设计要求；

3）通过对发电机内部传热特性的分析，可知本文所确立的温度场求解域合理可行；

4）定子上下层线棒最高温升沿发电机轴向呈具有波动性质的非线性下降的特性分布，且两者的最高温升沿轴向的降落几乎相同。

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