直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究

李偉東

摘 要：各種發(fā)電機(jī)出現(xiàn)的共性問題有兩方面，其一是冷卻，其二是發(fā)熱。本文主要分析溫升對于大型直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的主要影響，通過PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)的冷卻系統(tǒng)將產(chǎn)生的熱量通過熱變換器從而發(fā)散到空氣中，把電機(jī)的溫度盡量控制在正常的范圍中，由于電機(jī)溫度過高會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的永磁材料的損失，使得絕緣材料發(fā)生老化的現(xiàn)象。針對以上情況盡量避免電機(jī)的溫度過高，從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：直驅(qū)永磁；溫升；變頻器

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種由風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，其體積相對比較大，具備風(fēng)速時(shí)高效率以及低噪音高壽命、減小機(jī)體組體積等優(yōu)勢。目前隨著直驅(qū)永磁風(fēng)力的發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，其大功率也越來越大，最高磁極數(shù)也能夠達(dá)到88級。影響大功率直驅(qū)永磁電機(jī)的有許多因素組成，因此其因素較趨于復(fù)雜化。永磁電機(jī)是由多種材料組成的，其材料主要包括永磁體固定樹脂以及永磁體，銅線圈等。這些材料往往會(huì)隨著溫度的升高發(fā)生變化，從而影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。

1.溫升對永磁電機(jī)定/轉(zhuǎn)子內(nèi)部材料的影響

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般使用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行，其在運(yùn)行的過程中通常是以葉輪直接進(jìn)行內(nèi)傳子的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)溫升是包括定子線圈以及定子鐵芯等，若定子的溫度過高時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致降低電機(jī)的絕緣能力。溫度的變化會(huì)使得膨脹系數(shù)之間有差別的材質(zhì)之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力。膨脹系數(shù)的以及溫度的變化速度都會(huì)影響到熱應(yīng)力，若溫度處于上升的狀態(tài)，那么膨脹系數(shù)就會(huì)產(chǎn)生向外擴(kuò)張的熱應(yīng)力。若溫度處于下降的狀態(tài)，那么就膨脹系數(shù)高的材質(zhì)收縮就相對比較快，不同的材質(zhì)之間會(huì)因?yàn)槭湛s程度的不同從而留下空隙，那么則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的內(nèi)部出現(xiàn)各種故障現(xiàn)象，嚴(yán)重則會(huì)使得表面的槽楔出現(xiàn)了漲裂的現(xiàn)象。若溫度處于下降的趨勢那么則會(huì)減小材料的脹縮量從而使得溫度的變化速度變得相對緩慢。而最理想的溫度變化則是在電機(jī)運(yùn)行的過程中溫度穩(wěn)定。盡量避免電機(jī)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)停機(jī)的現(xiàn)象。

2.溫升對電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的影響

由于金屬的導(dǎo)熱性處于一個(gè)良好的狀態(tài)，若溫度升高則會(huì)使得發(fā)電機(jī)的鐵芯出現(xiàn)熱膨脹，其隨著材料的溫度進(jìn)而不斷的升高，因此金屬的尺寸影響到熱膨脹量。溫度的升高則意味著定子在軸向以及徑向等不同方向從而產(chǎn)生一定的膨脹量。材料的線性長度、材料的溫度以及材料的線脹系數(shù)都會(huì)直接的影響到熱膨脹量。定子的溫度分布會(huì)影響到定子的結(jié)構(gòu)，使得定子的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不對稱的情況。因此減少定子的溫度差可有效的保證鐵芯疊片的穩(wěn)定，在調(diào)節(jié)永磁電機(jī)的運(yùn)行過程中溫度要保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，盡量避免溫度過高或過少。由于直驅(qū)永磁點(diǎn)擊的尺寸相對比較大，因此要減少釘子結(jié)構(gòu)的溫度差，采用冷卻方式進(jìn)而保證整個(gè)電機(jī)處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.溫升對轉(zhuǎn)子永磁體以及磁極的主要影響

永磁體釹鐵棚是一種磁性較高的永磁材料，釹鐵棚的溫度性能不佳，居里的溫度相對比較低，若溫度超過了主要的居里點(diǎn)，那么釹鐵硼的磁性就會(huì)完全的消失，若溫度過大，其磁性就會(huì)大大的下降，使得固定的永磁體樹脂的硬度就會(huì)降低，嚴(yán)重情況可導(dǎo)致永磁體的脫落現(xiàn)象。因此降低永磁體運(yùn)行的溫度，減少定子的熱傳導(dǎo)以及熱播射的熱量能夠確保運(yùn)行的順暢。

4.大功率直驅(qū)永磁電機(jī)的冷卻方式

風(fēng)力發(fā)電組的永磁電機(jī)工作中的溫度受三個(gè)因素的影響，其三個(gè)因素主要有輸出功率、環(huán)境溫度以及冷卻系統(tǒng)性。其中輸出功率的大小是由發(fā)電狀態(tài)下的風(fēng)速大小，而天氣的變化會(huì)影響到環(huán)境的溫度，冷卻系統(tǒng)性與其他因素不同，它具有一定的可控因素。

大功率直驅(qū)永磁電機(jī)主要采用冷卻的方式，其分為兩次冷卻，一次冷卻為在獨(dú)立外裝的風(fēng)扇作用下使得電機(jī)的內(nèi)部空氣能夠循環(huán)流動(dòng)。二次冷卻則是根據(jù)電機(jī)的周圍環(huán)境，根據(jù)在外裝風(fēng)扇的作用下使得空氣得到冷卻，而永磁發(fā)電機(jī)的熱量經(jīng)過二次冷卻后將空氣帶走。調(diào)集冷卻風(fēng)的流量主要通過變頻器的使用，能夠改善風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速能力，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)。變頻器的使用能夠快速的改變冷卻風(fēng)扇的速度，從而不斷的將速度調(diào)整到精準(zhǔn)的速度中來，能夠真正的實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度的調(diào)節(jié)。

5.冷卻風(fēng)流量的溫度以及壓力的控制方法

永磁發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過程中均會(huì)受到各種因素的影響，其主要為不均勻發(fā)熱體以及不同區(qū)域中的空氣流量，能夠圍繞鐵芯的發(fā)熱量因素的疊加以及削減，均會(huì)導(dǎo)致定子出現(xiàn)溫度上的差異，從而導(dǎo)致在運(yùn)行的過程出現(xiàn)各種障礙。針對以上情況可采用用冷卻風(fēng)道的通風(fēng)方式，能夠減小定子的溫度差進(jìn)而使得保證運(yùn)行的順利。將電機(jī)的電子溫度設(shè)為控制量，通過控制器改變輸出頻率，從而調(diào)節(jié)各風(fēng)道的冷卻空氣流量。能夠平衡各個(gè)風(fēng)道中的溫度，減小定子的不對稱變形量。若電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，則可讓控制器對反饋信息進(jìn)行判斷后輸出保護(hù)停機(jī)的指令，從而能夠保證永磁發(fā)電機(jī)的順利進(jìn)行，防止出現(xiàn)高溫的現(xiàn)象。

6.結(jié)語

電機(jī)的溫升影響電機(jī)的其壽命以及運(yùn)行，因此需要技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確的判斷溫度對電機(jī)的影響。通過改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速功能，使得冷卻風(fēng)機(jī)的流量以及壓力、功率均發(fā)生一定的改變，通過變頻器的傳動(dòng)能夠有效的控制系統(tǒng)的還熱量，控制電機(jī)溫度的變化頻率，從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，延長壽命。

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