半直驱永磁风力发电机冷却介质温度场分析研究

2018-04-16邹强龙

机械制造 2018年2期

□ 赵震 □ 李岩 □ 邹强龙 □ 龙蛟

江苏中车电机有限公司江苏大丰 224100

1　研究背景

随着新能源风力发电技术的蓬勃发展，风力发电机的容量在不断增大，与此同时，风力发电机的热负荷也在不断提高。

风力发电机作为一种能量转换装置，在运行过程中线圈和铁心等部位均会产生铜耗、铁耗及其它损耗，以热的形式向外散发。发散出的热量对发电机绕组绝缘材料的寿命及发电机金属结构件的强度和硬度均有很大影响，如果发电机温升过高，还可能导致发电机永磁体发生不可逆的退磁或线圈绝缘损坏，进而引起匝间短路等发电机故障［1-4］。因此，发电机温升一直是考核发电机性能的一个重要指标［5］，对风力发电机温升进行计算，以及对冷却系统进行设计，是风力发电机设计的重要环节。

笔者针对一款大功率半直驱永磁风力发电机的冷却系统进行设计，提出一种由水冷与空冷相结合的冷却形式，并应用仿真分析软件对发电机温度场的分布进行分析。

通过分析，得到了水道中水和发电机冷却空气的温度场分布情况，总结了相应的分布规律。通过试验方式，对水道中水带走的热量与冷却空气带走的热量进行验证，为大功率半直驱永磁风力发电机冷却系统的设计提供了一定的参考。

2　风力发电机冷却系统

2.1　主要热源

由于半直驱永磁同步风力发电机转子不产生损耗，因此发电机的热源主要来自于铜耗、铁耗，以及其它损耗［6-8］。

铜耗是发电机在运行时，电流通过绕组所产生的损耗。铜耗密度 PCu为［9］：

式中：m为发电机相数；I为发电机三相绕组的相电流幅值；T0为初始温度；R0为初始温度T0时测得的发电机每相绕组电阻值；a为铜线绕组的温度系数；Tr为发电机工作时的绕组温度。

铁耗是交变磁场穿过发电机定子铁心时产生的损耗，一般包括涡流损耗和磁滞损耗。单位质量铁耗PFe的计算式为［10］：

式中：Bm为磁感强度；f为电磁频率；P1/50为铁耗系数，指Bm=1 T、f=50 Hz时，1 kg硅钢片的铁耗；β为频率指数，一般取 β=1.2～1.6。

半直驱永磁同步风力发电机结构中，永磁体置入转子，转子不需要供电。虽然永磁体会产生穿过定子铁心的磁通，但是转子铁耗比较小，在设计时可以忽略不计。

2.2　冷却系统设计

半直驱永磁同步风力发电机的主要发热体是由发电机绕组、铁心组成的发电机定子，散热形式是发电机定子中产生的热量通过热传导作用传至定子表面，然后再通过对流换热和热辐射作用散发至发电机定子周围介质中。

半直驱永磁同步风力发电机与同功率的直驱永磁同步风力发电机相比，体积较小，但发热量基本相当。发热主要集中在发电机定子上，因此笔者针对半直驱永磁同步风力发电机设计一种更有效的冷却系统，通过空冷和水冷组合的冷却形式，对半直驱永磁同步风力发电机进行冷却。所设计的半直驱永磁同步风力发电机冷却系统如图1所示。

▲图1 半直驱永磁同步风力发电机冷却系统

发电机定子产生的热量通过水道中的冷却水和进风口送进的冷却空气各带走一部分。由于水的热容量和导热能力远大于空气，冷却效果也较好，因此可以使发电机绕组绝缘体维持在一个较低的温升水平，延长绝缘体的使用寿命。与此同时，水冷系统允许发电机承受更高的电磁负荷，可以提高材料利用率，并且使发电机具有损耗低和噪声低等优点［11］。实际设计时，还需要从经济性等多方面进行综合考虑，一般选择水冷或组合冷却形式。

笔者采用水道带走60%热量和风道带走40%热量的组合设计，即水道与风道带走的热量比为1.5。发电机单位时间内总发热量为48.3 kW，冷却介质水的温升设计值是5 K，冷却介质风的温升设计值是20 K。

冷却介质流量qv为：

式中：Σph为冷却介质带走的总热量；ca为冷却介质比热容；Δτα为冷却介质温升。

根据式（3）计算得到冷却介质风的流量为0.878 m3/s，冷却介质水的流量为0.001 389 m3/s。

3　温度场分析

3.1　温度场计算方法

在发电机设计初期，发电机的温度都是使用简化公式或等效热路法进行计算的。简化公式将铁耗和铜耗仅通过定子或转子圆柱表面散热量进行计算［12］。等效热路法将温度场问题等效转化为带有集中参数的热路进行计算，其中绘制等效热路图是计算的重要步骤。这两种方法通常可以简单计算出铁心和绕组的平均温度，但都不能反映温度的分布情况。在发电机具体设计阶段，一般采用数值计算法。数值计算法对由微分方程和边界条件确定的边值问题进行求解，进而得到求解域内全部节点的温度，也即得到发电机部件内的温度场［13］。有限元法、等效热路法、边界元法和有限差分法等都属于数值计算法，其表达式为：

式中：λ为零部件的导热系数；T为求解区域内任意位置的温度；c为材料比热容；γ为材料密度；q为单位时间内单位体积的发热量；τ为时间；T0为边界面S1上的设定温度；α为对流换热边界面S2上的换热系数；Tf为对流换热边界面S2周围的介质温度；q0为边界面S3上的热流密度，当S3为绝热边界时，q0=0；λn为边界面外法线方向的导热系数。

3.2　有限元仿真模型主要参数

去除发电机端盖后的仿真计算模型如图2所示，主要参数见表1、表2。

表1　仿真计算模型材料导热系数 W·（m·K）-1

在有限元计算时，环境温度设置为25℃，进风口温度设置为55℃，进水口温度设置为45℃。

3.3　温度场计算结果

通过仿真分析，得到发电机中风道冷却空气的温度场分布，如图3所示。实际温升为20.83 K，由式（3）计算得到实际带走的单位时间内发热量为20.118 kW。水道中冷却水的温度场分布如图4所示，实际温升为4.76 K，由式（3）计算得到实际带走的单位时间内发热量为27.588 kW。可见，水道与风道带走的热量比为1.37。发电机机座表面温度场分布如图5所示。