內(nèi)流場(chǎng)對(duì)小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)換熱的影響研究

張建勛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 呼和浩特 010051)

內(nèi)流場(chǎng)對(duì)小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)換熱的影響研究

張建勛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 呼和浩特 010051)

小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部封閉空間，決定了其散熱主要是通過內(nèi)、外流場(chǎng)的強(qiáng)制對(duì)流換熱。而大部分學(xué)者只著眼于外流場(chǎng)對(duì)換熱的影響，而忽略內(nèi)部的散熱情況。本研究針對(duì)內(nèi)流場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)換熱的影響，基于計(jì)算流體力學(xué)，運(yùn)用時(shí)步有限體積元法，通過流熱雙向耦合方式，模擬計(jì)算出內(nèi)部流固接觸面上對(duì)流換熱系數(shù)及溫升分布情況，分析內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)散熱的影響。

永磁發(fā)電機(jī) 對(duì)流換熱 流熱耦合 內(nèi)流場(chǎng)

引言

隨著能源危機(jī)的逐步加劇，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)由于其具有無污染、分布廣等優(yōu)點(diǎn)越來越受研究者青睞[1-3]。而小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的散熱難、易退磁等難點(diǎn)阻攔著科研前進(jìn)的步伐，也以影響著實(shí)際發(fā)電產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率[4-6]。

今年來有部分學(xué)者針對(duì)流場(chǎng)對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的散熱影響進(jìn)行研究，并取得顯著的成果，為發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及風(fēng)電機(jī)組效率的提高都起到積極的指導(dǎo)作用[7-8]。但皆著眼于外流場(chǎng)的特性，而忽略了內(nèi)流場(chǎng)的作用。

本文以TL-600W發(fā)電機(jī)作為樣機(jī)，建立有限元模型，運(yùn)用ANSYS WORKBENCH軟件進(jìn)行流熱耦合計(jì)算，并對(duì)結(jié)果云圖進(jìn)行分析后處理。

一、模型及條件

本文以樣機(jī)結(jié)構(gòu)作為參考基礎(chǔ)，建立貼合實(shí)際的有限元模型。樣機(jī)參數(shù)如表1。

表1 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

以實(shí)驗(yàn)所測(cè)風(fēng)電機(jī)組來流與轉(zhuǎn)速關(guān)系作為初始條件，通過采集所得電流數(shù)據(jù)推測(cè)焦耳熱作為銅線圈的內(nèi)熱源，進(jìn)行流熱耦合計(jì)算。

1.數(shù)學(xué)模型

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳熱的三維穩(wěn)態(tài)方程可表示為

式中：T為固體待求溫度(K)；λx、λy、λz分別為求解域內(nèi)各種材料沿不同方向的傳熱系數(shù)(W/(m*k))；qv為電機(jī)內(nèi)各損耗產(chǎn)生的等效內(nèi)熱源；h為流固接觸面上的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為散熱面周圍流體溫度(K)。

流體流動(dòng)矢量方程如下：

2.基本假設(shè)

(1)把流體具有不可壓縮性；

(2)流場(chǎng)入流條件為常量；

(3)沒有接觸熱阻。

3.物理模型

求解域模型如圖1所示。

圖1 求解域物理模型圖

4.邊界條件

求解域內(nèi)具體邊界條件如下：

(1)流域出口設(shè)置固定靜壓邊界條件；

(2)流域入口設(shè)置固定流速邊界條件；

(3)銅線圈設(shè)置為內(nèi)熱源；

(4)所有流固接觸面皆為耦合邊界。

二、有限元計(jì)算結(jié)果

通過有限元分析，得到內(nèi)流場(chǎng)流速矢量、壁面對(duì)流換熱情況及溫升分布，如圖2所示。

內(nèi)流場(chǎng)分布

(2)對(duì)流換熱系數(shù)分布

圖2 有限元計(jì)算結(jié)果

(3)徑向溫升剖面

結(jié)語

經(jīng)分析有限元結(jié)果可得出以下結(jié)論：

發(fā)電機(jī)端部對(duì)于換熱影響較小，可忽略；

內(nèi)部流固接觸面的對(duì)流換熱主要依賴于定、轉(zhuǎn)子間氣隙及轉(zhuǎn)子散熱孔；

內(nèi)部溫升主要來源于線圈繞組，故最大溫升區(qū)域?yàn)槎ㄗ犹帲?/p>

轉(zhuǎn)子永磁鐵處溫升也很高，應(yīng)依據(jù)散熱情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以強(qiáng)化散熱。

[1]丁樹業(yè)，郭保成，等.永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(9)：122-128.

[2]胡田，唐任遠(yuǎn)，等.永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維溫度場(chǎng)計(jì)算及分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3)：122-126.

[3]張琪，魯茜睿，等.多領(lǐng)域協(xié)同仿真的高密度永磁電機(jī)溫升計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(12)：1874-1881.

[4]Marcin Lefik.Design of permanent magnet synchronous motors including thermal aspects.Permanent magnet synchronous motors,2015,34(2)：561-572.

[5]丁樹業(yè)，郭保成，等.變頻控制下永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(9)：1368-1375.

[6]溫彩鳳，汪建文，等.齒槽形狀對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)分布的影響[J].可再生能源, 2014, 32(12)：1844-1849.

[7]溫彩鳳，汪建文，等.基于棱邊元法的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溝槽電磁及熱分析[J].太陽能學(xué)報(bào), 2014, 35(9)：1749-1756.

[8]魏雪環(huán)， 蘭志勇，等.永磁體渦流損耗與永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用, 2015,42(5)：28-41.