内流场对小型永磁风力发电机换热的影响研究

张建勋

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 呼和浩特 010051)

内流场对小型永磁风力发电机换热的影响研究

张建勋

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 呼和浩特 010051)

小型永磁风力发电机的内部封闭空间，决定了其散热主要是通过内、外流场的强制对流换热。而大部分学者只着眼于外流场对换热的影响，而忽略内部的散热情况。本研究针对内流场对发电机换热的影响，基于计算流体力学，运用时步有限体积元法，通过流热双向耦合方式，模拟计算出内部流固接触面上对流换热系数及温升分布情况，分析内部流场对散热的影响。

永磁发电机 对流换热 流热耦合 内流场

引言

随着能源危机的逐步加剧，风力发电行业由于其具有无污染、分布广等优点越来越受研究者青睐[1-3]。而小型永磁风力发电机的散热难、易退磁等难点阻拦着科研前进的步伐，也以影响着实际发电产业的生产效率[4-6]。

今年来有部分学者针对流场对永磁风力发电机的散热影响进行研究，并取得显著的成果，为发电机的优化设计及风电机组效率的提高都起到积极的指导作用[7-8]。但皆着眼于外流场的特性，而忽略了内流场的作用。

本文以TL-600W发电机作为样机，建立有限元模型，运用ANSYS WORKBENCH软件进行流热耦合计算，并对结果云图进行分析后处理。

一、模型及条件

本文以样机结构作为参考基础，建立贴合实际的有限元模型。样机参数如表1。

表1 发电机技术参数

以实验所测风电机组来流与转速关系作为初始条件，通过采集所得电流数据推测焦耳热作为铜线圈的内热源，进行流热耦合计算。

1.数学模型

永磁风力发电机传热的三维稳态方程可表示为

式中：T为固体待求温度(K)；λx、λy、λz分别为求解域内各种材料沿不同方向的传热系数(W/(m*k))；qv为电机内各损耗产生的等效内热源；h为流固接触面上的强制对流换热系数为散热面周围流体温度(K)。

流体流动矢量方程如下：

2.基本假设

(1)把流体具有不可压缩性；

(2)流场入流条件为常量；

(3)没有接触热阻。

3.物理模型

求解域模型如图1所示。

图1 求解域物理模型图

4.边界条件

求解域内具体边界条件如下：

(1)流域出口设置固定静压边界条件；

(2)流域入口设置固定流速边界条件；

(3)铜线圈设置为内热源；

(4)所有流固接触面皆为耦合边界。

二、有限元计算结果

通过有限元分析，得到内流场流速矢量、壁面对流换热情况及温升分布，如图2所示。

内流场分布

(2)对流换热系数分布

图2 有限元计算结果

(3)径向温升剖面

结语

经分析有限元结果可得出以下结论：

发电机端部对于换热影响较小，可忽略；

内部流固接触面的对流换热主要依赖于定、转子间气隙及转子散热孔；

内部温升主要来源于线圈绕组，故最大温升区域为定子处；

转子永磁铁处温升也很高，应依据散热情况进行结构优化以强化散热。

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