永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組電機(jī)冷卻水套仿真分析

高志寬，劉 泉，陳志華

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多種。一般傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)主要由發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪機(jī)以及齒輪變速箱等組成，利用增速機(jī)構(gòu)提升風(fēng)輪機(jī)速度，風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由齒輪箱傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。但是，這種傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在很大弊端，增速齒輪箱機(jī)構(gòu)不僅帶來(lái)噪音和振動(dòng)，而且后期因潤(rùn)滑和機(jī)械磨損而需要定期維護(hù)，增加了運(yùn)行成本。

隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)在市場(chǎng)上，其中以直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為代表，為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命[2]。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)去除了增速齒輪箱機(jī)構(gòu)，用永磁體代替電勵(lì)磁，電機(jī)運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定[3]。雖然直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在性能上提升了很多，但是也存在一些問(wèn)題[4]。隨著設(shè)計(jì)功率越來(lái)越大，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中由于銅損、鐵損、機(jī)械摩擦等產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越多，運(yùn)行溫度如果過(guò)高會(huì)導(dǎo)致永磁體不可逆退磁，對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行威脅很大[5]。大功率永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組的進(jìn)一步發(fā)展意義重大。蔣彥龍等[2]對(duì)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。蘭志勇等[3]對(duì)一種風(fēng)電機(jī)組軸向迂回管路水冷模型進(jìn)行了ANSYS仿真分析。本文對(duì)3 MW永磁直驅(qū)大功率風(fēng)電機(jī)組發(fā)熱原理進(jìn)行分析，并對(duì)一種風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)——冷卻水套，進(jìn)行ANSYS有限元熱場(chǎng)仿真分析，研究其冷卻性能。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組發(fā)熱因素

3 MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組由于沒(méi)有增速齒輪箱機(jī)構(gòu)，所以發(fā)熱主要是由電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各種損

耗引起，主要有：鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗、風(fēng)摩損耗等[6]。鐵損耗主要是在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，因磁場(chǎng)中的高次諧波在鐵心、永磁體等處產(chǎn)生渦流發(fā)熱[7]；銅損耗是由于繞組銅導(dǎo)線中本身電阻及電流分布不均勻引起的損耗；機(jī)械損耗主要是由電機(jī)軸承機(jī)械摩擦引起的損耗。直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組一般轉(zhuǎn)速較低，額定轉(zhuǎn)速一般在20 r/min左右，所以風(fēng)摩損耗較小，以鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗為主。電機(jī)總損耗為

P=PFe+PCu+PM+PW

(1)

式中：PFe為鐵損耗；PCu為銅損耗；PM為機(jī)械損耗；PW為風(fēng)摩損耗。一般電機(jī)額定效率可以達(dá)到95%左右，電機(jī)總損耗在5%左右[8]。

2 風(fēng)電機(jī)組冷卻形式

如表1所示，不同功率的風(fēng)電機(jī)組冷卻形式不同[9]。兆瓦級(jí)的大功率風(fēng)電機(jī)組常用的冷卻形式有自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷3種形式[10]，更大功率的風(fēng)電機(jī)組可以水冷和強(qiáng)制風(fēng)冷組合使用。

表1 不同冷卻形式比較

強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷都可以滿足3 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的冷卻需求。由于強(qiáng)制風(fēng)冷與外界連通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)工況環(huán)境一般較差，容易導(dǎo)致雨水、泥沙等進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部，影響機(jī)組使用壽命，所以采用防護(hù)等級(jí)更高的水冷冷卻形式。

3 溫度場(chǎng)模型和水冷模型

電機(jī)內(nèi)、外散熱系數(shù)直接影響到冷卻系統(tǒng)的冷卻效果[11]，對(duì)流散熱系數(shù)計(jì)算如下：

1)電機(jī)組外殼與外界一般為自然冷卻，對(duì)流散熱系數(shù)為

(2)

式中α為電機(jī)組外殼表面空氣初始溫度。

2)定子內(nèi)表面與氣隙間對(duì)流散熱系數(shù)為

(3)

式中v為轉(zhuǎn)子外表面線速度。

3)轉(zhuǎn)子外表面與氣隙間對(duì)流散熱系數(shù)為

(4)

冷卻水套固定于定子外圈，如圖1、圖2所示。里外分為兩層，內(nèi)層為冷卻液通道，冷卻液由外接水泵驅(qū)動(dòng)，與外部散熱器相連通，內(nèi)部冷卻液為比熱容較大、冰點(diǎn)較低的60%乙二醇溶液[12]；外層為風(fēng)通道。冷卻水套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，與定子接觸面積大，散熱性能好，一般不會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)短路和流動(dòng)盲區(qū)[13]。

水套冷卻水冷模型可以參考湍流k-ε模型：

(5)

式中：ρ為冷卻液體密度；k為冷卻液體湍流動(dòng)能；vi、vj分別為液體在i、j方向的速度矢量；μ為層流粘性系數(shù)；μt為湍流粘性系數(shù)；σk、σe為普朗特?cái)?shù)；ε為湍流能耗散率；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

4 水套冷卻系統(tǒng)ANSYS仿真分析

在ANSYS Workbench軟件平臺(tái)下，利用state-thermal熱分析模塊對(duì)風(fēng)機(jī)冷卻水套做穩(wěn)態(tài)熱分析，該分析基于如下的簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1)由于熱量主要由鐵損、銅損和摩擦損耗引起，所以可假設(shè)熱量全部來(lái)自于定子；

2)風(fēng)通道的對(duì)流冷卻效果較小，可忽略不計(jì)，即全部熱量均由冷卻液通道冷卻帶走；

3)冷卻液通道中，冷卻液與通道壁面的對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻通道材料屬性取1500 W/m2K；

4)冷卻液溫差較小，可假定冷卻液沒(méi)有溫差；

5)冷卻液通道壁面與定子緊密固定，接觸熱阻較小，可忽略不計(jì)。

冷卻水套模型關(guān)于對(duì)稱(chēng)軸呈軸對(duì)稱(chēng)，為了減少網(wǎng)格數(shù)量規(guī)模、節(jié)省計(jì)算資源，由冷卻水套模型的對(duì)稱(chēng)性，取整個(gè)模型的1/4作為分析對(duì)象，如圖3所示。

冷卻水套采用碳鋼材料，輸入其導(dǎo)熱系數(shù)。網(wǎng)格劃分采用軟件中智能網(wǎng)格劃分功能，在mesh下插入多區(qū)控制和尺寸控制，如圖4、圖5所示。

傳熱邊界條件設(shè)定：插入對(duì)流換熱convection邊界條件，scope選擇冷卻液通道的所有內(nèi)壁面，輸入對(duì)流換熱系數(shù)，插入內(nèi)部生成熱，根據(jù)3 MW風(fēng)電機(jī)組冷卻參數(shù)，熱負(fù)荷輸入總散熱量為60 kW，如圖6所示。

邊界條件確定后，對(duì)冷卻水套模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到溫度分布云圖。如圖7所示，經(jīng)水套冷卻后，冷卻水套與定子整體溫度在45.11～93.67 ℃之間，由內(nèi)到外溫度逐漸升高，溫度差值較大，冷卻效果明顯。

由圖8可知，冷卻水套溫度最高為63.93 ℃，最低為45.11 ℃，溫度差值較小，冷卻能力較強(qiáng)。

由圖9定子溫度云圖可以看出，定子內(nèi)圈由于和轉(zhuǎn)子配合，電機(jī)內(nèi)部散熱效果較差，定子齒尖處溫度最高，為93.67 ℃，小于許可的最高溫度150 ℃。

通過(guò)上述分析可知，該冷卻水套對(duì)3MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組冷卻效果明顯，并留有較大余量，以彌補(bǔ)仿真簡(jiǎn)化與假設(shè)所造成的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)大功率永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組電機(jī)發(fā)熱情況進(jìn)行理論分析，根據(jù)其發(fā)熱特點(diǎn)采用冷卻水套冷卻裝置，并對(duì)冷卻水套裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究和ANSYS溫度場(chǎng)仿真分析。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，冷卻水套對(duì)3MW甚至更大功率的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有著良好的散熱效果，為實(shí)踐生產(chǎn)提供一定的參考價(jià)值。同時(shí)也可看出電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱，尤其是轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱量很大，由于電機(jī)內(nèi)部氣隙溫度對(duì)流系數(shù)較小，轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻情況較差，對(duì)于更大功率的電機(jī)可采用空芯導(dǎo)線內(nèi)部水冷進(jìn)行散熱。