半直驱永磁风力发电机冷却介质温度场分析研究

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］：

 

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。

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。

 

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。

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］：

  

▲图1 半直驱永磁同步风力发电机冷却系统

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。

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。

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：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。

 

1～2月份，气温逐渐寒冷，要增加温度，适当加覆盖物或室内生火炉。开花期温度适宜20～30℃，夜温15～20℃，低于15℃或高于35℃都不利于花期的正常发育及开花授粉。

通常的河道治理方式是通过加固技术对边坡进行人工治理、绿化，或采用硬体结构措施对边坡进行固化处理 ［1-3］。传统的护坡方式在完工初期发挥了一定的防护作用，但在使用过程中由于各种因素的影响常常产生各种形式的破坏，固化处理的边坡生态功能难以恢复，无法作为永久的边坡防护措施长远地为人类服务［4］。土石笼袋作为新型生态护坡的形式之一，以其抗冲刷、填充料易取材、景观效果好等优势被逐步应用于河道生态治理的工程实践中［5-6］。

对发电机水道进出口和风道进出口温度等的设计值与仿真值进行对比，结果见表3。

3　温度场分析

3.1　温度场计算方法

冷却介质流量qv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。

你说交通拥堵，给你限号了；你说油不合格污染空气，给你把油价涨了；你说房价太高买不起，给你征税20%了；你说国产奶粉是垃圾，给香港下禁令了；你说出租车不好打，给你把车价涨了……

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

  

材料 结构钢 绝缘材料 磁钢 铜 铁心 槽楔导热系数 50 0.16 1.6 380 轴向44.2，径向1.19 0.3

 

表2　仿真计算模型损耗 kW

  

发热体 定子铁心 定子绕组 其它损耗 18.21 23.65 6.44

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℃。

黔东南州在鼓励民间资本参与水土保持种植业建设的同时，发展茶叶、蓝莓、太子参等相关产品深加工及衍生产业，尽量延长产业链条，较好地解决了大规模发展单一产业可能出现的产销过剩和价格暴跌问题，降低了投资风险。截至2012年，该州各县已引进深加工企业100多个，建成加工厂80多个。

目前，随着工业发展的速度不断的加快，同时在科学技术快速发展的带动下，变频器也在各个领域得以广泛的普及应用，所以在使用中，要根据自身运用的实际情况，进行合理的选择和应用，同时还要进行变频低压变频器的调校与维护分析，这样不仅有利于提高变频器的调校与维护水平，而目有利于保证变频器的安全、可靠运行，提升企业的生产效益，促进企业的发展与进步，具有积极的作用和意义。

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。

  

▲图2 仿真计算模型

  

▲图3 冷却空气温度场分布

  

▲图4 冷却水温度场分布图

  

▲图5 机座表面温度场分布

4　数据对比

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。

 

表3　发电机冷却系统设计值和仿真值对比

  

9水道温升/K 5 4.76单位时间内水道带走的热量/kW 28.98 27.588

由表2可以看出，半直驱永磁同步风力发电机冷却系统基本满足设计要求。

在1917年法国皮卡第的一场战斗中，德军突破了防线，直接冲入了英法联军的阵地，正在挖战壕的华工们猝不及防，他们只得用铁锹、镐头与德国兵肉搏，当英法联军赶到时，大部分华工已战死。

5　结论

（1）使用简化公式，计算出半直驱永磁同步风力发电机冷却系统进出口处冷却介质的流量。

（2）建立了半直驱永磁同步风力发电机的仿真计算模型，对其进行数值分析，得到了冷却介质进出口处的温升数据，进而得到发电机冷却系统中水和空气带走的热量比为1.37。

很长一段时间以来，人们一直把教育等同于学校教育，认为教育具有一次性和终结性。直到法国提出“永恒教育”的概念，终身教育思想才得以被发展和接受。终身教育的思想否定了传统上把人生分成受教育和生活的观念，指出人无论在哪个年龄段都同样需要受教育和不断学习，教育不单纯是谋生手段，同时也是追求精神生活享受、提高生活层次的重要手段。我国优秀传统文化开始突显出其重要作用，逐渐形成了不断学习、重视学习的传统，学习氛围空前浓厚［1］。老人开始具备了终身学习、不断提升的思想，在他们离开工作岗位后保持着对学习的渴望和需求。

（3）仿真计算中，冷却空气单位时间内带走的热量为20.118 kW，比设计值大；而冷却水单位时间内带走的热量设计值为28.98 kW，仿真值为27.588 kW，可见还有一小部分热量通过发电机机座散发出去，这部分热量可以忽略不计。

（4）水道和风道带走的热量虽然没有严格满足设计的要求比，但是对简化公式和仿真计算而言，两者相差不大，是可以满足工程应用的。

通过优化烘丝机筒壁Ⅰ区、Ⅱ区启动时间，限定烘丝机筒壁Ⅰ区、Ⅱ区启动阶段升温速率(图4)，改变了烘丝机筒壁Ⅰ区、Ⅱ区在料头到达滚筒入口即同时启动，并无限制的迅速升温至前馈(设定)温度的控制模式，避免了烘丝机筒壁Ⅰ区、Ⅱ区同时启动并无限制升温导致的滚筒脱水(干燥)能力与滚筒持料量的不匹配，降低了KLD-2Z两段式滚筒烘丝机启动状态的干头烟丝量。

参考文献

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