沈阳工程学院学者提出基于流固耦合的永磁直驱风电机传热分析成果

海上的风力发电已经逐渐变成一种大趋势。大功率的电机对装置的散热要求很高，因此对电机进行温度场分析可以很好地指导电机冷却系统的设计。强迫水冷电机与自然风冷电机相比具有散热效果好、噪声产生少，以及使用寿命更高等优点。

沈阳工程学院的研究人员邢军强、汪明武、孔莹莹，在2021年第1期《电气技术》上撰文，以一台外转子永磁直驱风力发电机组为研究对象，基于流固耦合和共轭传热的分析方法，利用Ansys软件对正常工作下的电机进行温度场分析，从而得到电机内部主要部件的温度分布。最终，通过对一台10MW外转子电机进行流固耦合分析，对比计算不同冷却水流速下的电机温升分布，得出冷却流体流速与电机温升的关系曲线，为电机冷却设计提供参考。

作为一种可再生的清洁能源，海上风能越来越受到人们的青睐，尤其是风力发电。永磁体在高温的环境下容易失去磁性，因此永磁体的散热是一个需要解决的问题。对电机进行温度场分析可以很好地指导电机冷却系统的设计。有限元分析法、热路法以及简化公式法是电机温度场的主要计算方法，目前普遍采用的是有限元分析法。

电机温度计算的难点在于必须先根据流体场分析确定不同情况下的电机各个部分的散热系数。在外加强迫冷却时，电机的这些参数除了和电机材料本身的参数有关以外，还和电机风路设计密切相关，特别是发电机转子和气隙之间的的传热系数，需要大量的公式推导计算才能确定下来。

沈阳工程学院的研究人员利用流固耦合共轭传热的原理通过判别流体气隙的流动状态，算出气隙层的等效热导率e，并根据经验公式算出电机主要部分的损耗。最后，以一台10MW永磁直驱同步发电机为例，在管道入口处通以不同水流速，对电机进行温度场分析，并进行对比，验证方法的有效性。

图1  电机水冷计算模型

研究人员得到以下结论：

1）基于流体场和温度场耦合分析可以较为准确地估计电机温升，为电机的设计提供依据。

2）定转子之间的空气层热阻较大，所以此处温度梯度很大，最高温度部分出现在绕组和定子的顶部。此外定子由于水冷的作用出现了明显的温度下降，验证了水冷方式是大型电机的有效冷却方案。

3）随着入口水流速增加，最高温度继续降低的趋势逐渐变缓，但水管的压降明显增加，所以在设计时要考虑经济性。

4）基于流固耦合对一台10MW外转子永磁电机进行分析计算，分析得出当冷却流速控制在1m/s时，即可满足电机温升要求；计算证明外转子结构永磁风力发电机采用定子水冷能够满足大容量电机温升安全运行的要求。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“基于流固耦合的永磁直驱风力发电机传热分析”，作者为邢军强、汪明武、孔莹莹。