径向多结构特征下风力发电机冷却性能研究

丁树业 夏垒 刘建峰 王越 刘野

摘 要：为了提升风力发电机的通风冷却性能，降低其运行时的温升，以一台3MW永磁风力发电机为例，结合发电机的通风冷却性能及结构特点，在基本假设的基础上，建立发电机定转子流固耦合的三维物理模型，并给出求解条件。根据流体力学以及传热学理论，采用有限体积元法对电机内流体场与温度场进行了数值计算。同时，对径向通风沟提出了多种结构方案，并对不同方案下电机内流体流动特性及各主要部件温升进行了对比分析。研究结果表明：在一定范围内通过减小径向通风沟的轴向尺寸，能有效提高电机的冷却效果。当采用结构方案Ⅲ时，求解域内最高温升较原模型低6.04K。

关键词：风力发电机;流固耦合;径向通风沟;多结构

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.011

中图分类号： TM315

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）06-0057-05

Abstract：In order to improve cooling effects of permanent magnet wind generator and reduce the operation temperature a 3MW permanent magnet wind generator was taken as an example physical model of three dimensional stator and rotor fluid-solid coupled was established on the basis of the basic assumptions considering ventilation characteristics and structure feature of generator and the solution conditions was given. According to hydromechanics and heat transfer theory temperature field and fluid field was calculated numerically using finite volume method. At the same time some structures were proposed in view of radial ventilation ducts and the fluid flow performance and main components temperature of different schemes were analyzed. The results indicate that by reducing the axial size of the radial ventilation duct can effectively improve the cooling performance of the motor. The maximum temperature rise in solution was 6.04K lower than the original one when adopt schemeⅢ.

Keywords：wind generator; fluid-solid coupled; radial ventilation duct; optimization

0 引 言

隨着人们对清洁能源需求量变大，风力发电技术在现代工业文明中显得日益重要，风力发电机正朝着单机容量不断扩大的方向发展[1]。而随着发电机单机容量的增加，发电机内部各部件的损耗也随之增加，导致了电机运行时温升的提高，直接影响了电机的寿命与运行的稳定性[2]。因此对多种不同通风结构下电机的通风冷却性能进行研究，找到最优的结构方案，从而降低电机运行时的温升显得十分必要。

近年来，专家利用有限体积元法[3-8]，根据流体力学理论对电机内部流体场及温度场进了卓有成效的研究。文[9]对发电机定子、转子域内的冷却介质速度，温升及运动迹线等流体流变特性做了详细的分析。文[10]对结构特点为径向通风方式的双馈风力发电机内流体流动做了相关研究，得到了发电机内冷却气体风速以及其沿轴径向的分布情况。文[11-13]分别通过改变大型汽轮发电机径向通风沟数量、尺寸和端部气隙隔板高度，对其内部传热特性进行了数值计算，得到了不同结构下的电机温升分布。李伟力等基于流体与固体耦合的方法[14-15]，分析了转子径向通风沟数量与位置对转子内流体流动与温度的影响，以上都为电机内流体场与温度场的计算奠定了一定的基础。但是针对风力发电机径向多结构下结合流体场与温度场相研究的成果较少，所以结合流体流动与传热研究径向结构对风力发电机通风性能的影响具有一定的工程实际价值。

本文以一台3MW永磁风力发电机为例，采用有限体积元法、流固耦合模型对发电机流体场与温度场进行了数值计算与分析。并在此基础上通过调整定转子径向通风沟的结构尺寸，对不同结构方案的计算结果进行了对比分析，给出了最优设计方案。所得结论为永磁风力发电机的通风结构设计提供了理论参考。

1 求解模型与基本假设

1.1 数学模型

当发电机稳定运行时，电机内流体流动属于定常、粘性、不可压缩的紊流流动。根据流体力学基本原理，采用标准k-ε湍流模型进行计算，在直角坐标系中可写出相应的控制方程[16]如下：

1.2 基本假设

为了合理简化求解过程，做出以下基本假设：

1）电机内流场中，流体流速远小于声速、雷诺数Re>2300，将流体看成不压缩流体，并采用湍流模型对电机内的流场进行求解;

2）只探究发电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而控制方程不含有时间项[18];

3）认为涡流效应对每根股线的影响相同，定子绕组端部是直的;

4）槽内所有绝缘的热性能相同[19];

5）冷却气体对整个圆周区域的冷却效果相同。

1.3 物理模型

根据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研究对象，建立计算域模型，如图1所示。

1.4 边界条件

根据发电机的基本结构以及传热特性，求解域内的边界条件给定如下：

1）内外风路入口均采用速度入口边界条件，内风路入口速度为4.85m/s，外风路入口速度为33.4m/s，出口采用压力出口边界条件;

2）图1中S1、S2 和S3（轴向中心截面）为绝热面，其余表面均为散热面;

3）流体除入口与出口的边界条件之外，其余与固体的接触面都设为无滑移边界。

2 原始结构计算结果分析

通过数值计算得到求解域内流体流速分布如图2所示。

从图中可以看出外风路流体流速分布均匀且流速较大，这是由于外风路形状规则，风阻较小。而内风路中的流体流速分布复杂，在转子气腔中，从入口到轴中心处呈不断下降趋势。空气从转子气腔进入径向通风沟中速度有所增加，定子径向风沟内空气速度大于转子径向风沟中的空气速度。由于定转子径向通风沟比较狭窄，同时存在绕流性物体，流体在定子径向通风沟出口处出现显著的涡流。

图3为整个求解域内的温升分布图。从图中可以看出，定子铁心及定子绕组温升较高，而转子铁心与转子磁钢温升相对较低。由数值计算结果得到求解域内最高温升处于定子绕组下层股线上，达到了73.95K，其平均温升为70.21K。转子铁心的最高温升为35.45K，平均温升为31.3K，转子铁心的温升略低于转子磁钢的温升。

3 多种结构方案的计算结果分析

3.1 结构方案概述

通过对永磁风力发电机原始结构流体场与温度场的分析得出，径向通风沟的结构尺寸对电机通风冷却效果有着重要的影响。因此，对径向通风沟结构提出了4种研究方案。方案Ⅰ、方案Ⅱ是在电机沿轴向总长度不变、损耗不变的条件下改变定、转子径向通风沟及定转子铁心的轴向尺寸;方案Ⅲ、方案Ⅳ是在每段铁心延轴向长度不变、电机总损耗不变的条件下仅改变定、转子径向通风沟的轴向尺寸。4种结构方案的尺寸调整如表1所示。

3.2 不同结构方案流体场的计算与分析

由于电机内各部件的散热效果受流体流速影响，且定子径向风沟内空气流速较大，因此对不同方案下定子径向通风沟内流体流动情况的分析有重要意义。这里以靠近轴向中心截面的第一个定子径向通风沟为研究对象，在绕组一侧通风沟内做一条采样直线AB，如图4所示，得到各方案采样直线处风速分布情况，如图5所示。

从图4中可以看出，不同方案下定子通风沟内流体流速分布趋势基本一致，最高流速位于槽楔附近，径向通风沟内空气速度均随着径向高度的增加呈下降趨势;方案Ⅰ和方案Ⅲ的径向风沟内流体流速大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ的径向风沟内流体流速低于原方案。表明在一定范围内，径向通风沟的轴向尺寸越小，流体通过时速度越大。

由于冷却气体的冷却效果不仅受其速度影响也与其温度密切相关，因此考虑空气的温度也显得很重要。图6为不同方案下定子径向通风沟内的空气温度分布情况。

从各方案径向风沟内的空气温度分布可以看出，绕组尾部区域温度最高，这是由于定子绕组相当于绕流性物体，气流在其尾部形成涡流而造成的;方案Ⅰ和方案Ⅲ中径向风沟内空气的温升大于原方案，而方案Ⅱ和方案Ⅳ中径向风沟内空气的温升小于原方案。由计算结果得到原始方案槽底与槽口处气体平均温差为10.85K ，方案Ⅰ和方案Ⅲ中槽底与槽口处气体平均温差高于原方案，差值分别为11.27K、11.37K，同时这两种方案中径向风沟内流体流速也大于原方案，因此这两种方案中的冷却气体经过定子部分能带走更多的热量，冷却效果好于原始方案;方案Ⅱ和方案Ⅳ中在槽底与槽口处气体平均温差分别为10.37K与9.98K，且流体流速小于原方案，因此方案Ⅱ和方案Ⅳ的冷却效果较差。

3.3 不同结构方案电机温度场的计算与分析

为了更加直观的看出不同结构方案的散热效果，取各方案轴向中心截面铁心段内定子槽中心线位置处的温升进行对比分析，温升沿径向高度的变化曲线如图7所示（径向高度：转子气腔底部至外风路底部）。

从图中可以看出，各方案定子槽中心线处的温升分布趋势基本一致。径向高度在0.4m附近区域处空气温升略高，这是由转子气腔内在此区域的空气回流所引起的，转子部分温升沿径向变化不大，定子下层股线温升最高。方案Ⅰ与方案Ⅲ的定转子部分温升均比原方案低，同时这两种方案中定子轭部上方的空气温升较大，表明冷却空气经定转子后带走了更多的热量，显然方案Ⅰ与方案Ⅲ的冷却效果较好，与前面流体分析结论一致。

为了进一步探究不同方案下电机的通风冷却效果，根据各方案的计算结果，得到了电机内部各主要部件的最高温升与平均温升，分别如表2、表3所示。

由表2、3可以看出：

1）不同方案中定子股线处的最高温升与平均温升均最高，转子铁心的最高温升与平均温升均最低;

2）方案Ⅰ、方案Ⅲ中电机内各主要部件的最高温升和平均温升与原结构方案相比均有所降低，其中方案Ⅲ降低较多，冷却效果更好;

3）对比各方案可以发现在一定范围内，径向通风沟的轴向尺寸越小，电机的通风冷却性能越好。

4 结 论

本文以一台3MW永磁风力发电机为研究对象，对电机径向多结构特征下电机内的流体场与温度场进行对比分析，得到如下结论：

1）方案Ⅰ和方案Ⅲ的径向风沟内冷却空气流速高于原方案，冷却空气经电机内各主要部件加热后的温升也较高，方案Ⅰ和方案Ⅲ的冷却效果均优于原方案;

2）在合理范围内通过减小电机径向通风沟的轴向尺寸能有效提升电机通风冷却性能，降低电机温升，从而提高电机运行稳定性以及电机的使用寿命;

3）当采用方案Ⅲ时，电机内各主要部件温升最低，求解域内最高温升较原结构方案降低最多，为6.04K，且径向风沟内风速提升明显，因此本文建议采用方案Ⅲ。

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（編辑：关 毅）