散热筋形式的风力发电机温升计算

2013-06-08张海凤王步瑶杨国伟郭灯塔李素平

船电技术 2013年8期

张海凤，王步瑶，杨国伟，郭灯塔，李素平

（湘潭电机海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南湘潭 411101）

0 引言

随着全球风力发电的持续升温，中国的风力发电行业得到了快速发展。目前风力发电机仍然面临着许多亟待解决的问题，其中，电机散热方式，就是其中一项重要课题。加强冷却可以提高电磁负荷，减少发电机的体积，降低成本[1]。

风力发电机的散热方式为：外壳散热筋的散热方式结合内通风的散热方式。就外壳散热筋的散热方式而言，与传统紧凑型电机的散热方式和结构有着不同之处。其一，不同于以往的整体铸钢翅片，风力发电机多采用铝翅片，与机座装配的方式。其二，传统的风机在翅片区域鼓风，其特点是风速随电机转速的不同而变化，也随电机轴向的位置而变化。风电的吹风方式为大空间的空气外掠方式，翅片散热的风速取决于外部环境空气的流速，且在电机轴向速度变化不大。

风力发电机的另一个特点是转速很低。对于永磁发电机而言：损耗以定子的铜耗为主，占到90%以上，机械耗和转子的损耗则占的比例极小，占到个位数的百分比，甚至不到1%。这样风电电机内部区域的发热情况与一般电机呈现很大的差异。此外，常规电机转子的高转速使得电机内部的空气扰动换热占到一定的比例，而风电电机的低转速使得空气扰动对流换热比例明显下降。对于电励磁发电机而言，转子的发热又比一般电机的发热大。因此，由于风电电机内部发热区域的重大变化以及散热方式的明显改变，使得在温升计算方面与以往常规电机有很大的不同。

此外，风力发电机一般在室外布置，也有在高海拔布置的案例，这些情况都对散热构成重要影响。

室外布置要考虑太阳辐射。以往常规产品一般室内布置而未考虑太阳辐射导致的外壳升温，而风电电机由于室外的布置而须予以考虑。

对于高海拔区域，空气密度较低，相同风速下散热能力下降。因此散热计算中要考虑空气密度的变化。

1 计算方法

1.1 壳体散热的计算

以流体外掠物体的换热作为基本的换热计算模型[2]，结合考虑不同的翅高、翅间隙所产生翅片间的流体流速的变化，进行壳体壁面温度和散热的计算。壳体壁面温度，沿轴向会有所变化，但对于流体外掠物体的换热这种情况，在与定子接触的中间区域，与传统的鼓风方式相比，变化幅度会小很多，故壳体中间区域以平均壁温作为计算参数。壳体两端不计算壁温。翅片表面的温度沿径向和轴向都会有所变化，通过计算翅片效率来考虑这种影响。

1.2 无内通风的电机内部散热计算

电机内部散热以导热方式为主。通过计算绕组的绝缘层导热热阻、线圈槽热阻、硅钢片导热热阻、定子与壳体的接触热阻来计算导热环节的总热阻，从而计算导热热量。定子绕组的伸出端对壁面有一定的辐射散热量，以物体向大空间的辐射散热作为计算模型，计算散热量。两种换热的等效线路为并联方式。

1.3 有内通风的电机内部散热计算

电机内部也是以导热方式散热为主。导热热阻的计算方法与上节相同。除了伸出端绕组的辐射散热仍要考虑外，内部空气的对流换热[3]要作为重点考虑。内部空气的流动会带走一部分端绕组的热量，也会通过气隙中的流动带走定子绕组的部分热量、带走转子绕组的几乎所有热量，通过定子通风口的流动还会带走部分定子的铁耗。这种散热方式的等效线路非常复杂，必须通过温度迭代进行计算。

1.4 高海拔带来的空气密度的考虑

高海拔使得空气密度降低，电机温升升高。本软件所采用的换热计算式中，都有空气密度的参数，以此只要在输入界面中给出空气密度的输入框，即可考虑空气密度变化的影响。如果只知道电机所处的海拔高度，则程序会自动计算出所处海拔高度的空气密度。

1.5 太阳辐射

太阳辐射会提高壳体壁面温度，增加电机温升，必须予以考虑。太阳辐射的强度在不同的地区、不同的时刻、不同的辐射角度都会变化。本软件中，给出了不同地区的选择框，选定某个地区，自动会跳出这个地区在一天最热时间段的不同辐射角度的平均辐射强度。用户也可自行输入该数值。知道了辐射强度后，乘以电机外壳表面积即为电机吸收的热量，将这一热量并入电机的发热量进行电机外壳壁面温度和电机温升的计算。

2 热力计算模型

2.1 等效结构图

2.2 有内风的热力计算模型

电机内部的热量[4]主要由定子和转子的损耗、机械耗和杂耗产生。认为定子的散热主要是通过定子向机壳导热完成的，转子的散热一部分通过转子内部的通风道带走，另有一部分通过转子与定子之间的气隙，以对流换热的形式传给定子，再由定子传递给机壳。机械耗和定子端部则主要通过电机内部的空气携带给壁面。其中定子和转子的散热好坏对绕组温升起主导作用。

定子的外径和内径不变，等效的硅钢片区域面积等于原硅钢片面积；等效的绝缘层厚度等于原绝缘层厚度；剩下的区域为绕组区域，整个绕组区域温度相同，等于绕组温度。定子的散热为绕组区域的发热（铜耗）和硅钢片的发热（铁耗），散热的计算为圆柱坐标下的有内热源的二维导热问题。

忽略铁耗，认为转子损耗全部是铜耗。转子铜耗的发热区域简化为一条环形带(等效铜耗发热区域)。同样，转子通风孔也简化为一条环形带（等效通风区域），该环形带的空气流通面积与换热面积保持与原通风孔相同，环形带传热与流阻计算的当量直径保持与原通风孔相同。等效的硅钢片区域面积等于原硅钢片面积，剩下的区域为绕组区域，整个绕组区域温度相同。散热的计算为圆柱坐标下的二维导热及对流问题。机壳外的热力计算可算出壁面温度Tb。

定子散热量Q1与绕组温度Tr和壁面温度Tb、热传导热阻R的关系为：

由此计可算出绕组温度Tr。（此为简单说明式，实际为有内热源的导热问题，硅钢片的发热作为内热源）

3 计算结果

3.1 程序界面

图2 程序界面

3.2 验证计算

以XE93电励磁为例，输入数据可得到定子绕组温升、传热各环节的热阻、散热筋效率等。

表1为几种机型的温升计算结果与试验数据的对比。该软件既包括了常规的风力发电机温升计算，又覆盖了高原型、海上风电等特殊运行环境的产品温升计算，较综合、准确的计算了带散热筋形式的风力发电机的温升，转子结构可以是永磁体，也可以是常规的电励磁方式，计算结果与试验结果吻合性较好。

4 结论

散热筋形式的风力发电机温升计算方法及经验系数的取值通过试验已经充分说明其合理性，温升计算软件的开发大大提高了产品研制的可靠性，缩短了研发周期，通过不同机型的计算与试验结果对比，吻合性较好，充分体现了该软件的成熟度与准确性。该软件既包含了永磁风力发电机的温升计算，又包括了电励磁风力发电机的温升计算，软件具有很高的覆盖面及综合性。