永磁风力发电机风冷结构设计与分析
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天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室、天津工业大学机械工程学院、沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心的研究人员朱高嘉、刘晓明、李龙女、高圣伟、佟文明，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文指出，随着永磁风力发电机单机容量的不断增大和电磁负荷的不断提高，其冷却结构的合理设计已成为发电机研发过程中的重点与难点。
以一台1.65 MW强迫风冷直驱永磁风力发电机为例，基于计算流体力学和传热学理论，建立发电机全域三维流动与传热耦合模型，应用有限体积法数值分析发电机内的流动和温升分布状态。针对强迫风冷结构需要外接风机而占用系统空间大、清洁维护难度高的问题，提出一种由转子辐板支架作为离心式风扇驱动冷却风的全封闭式自循环风冷系统。
通过不同冷却结构尺寸下散热性能的对比研究，给出了较适宜的发电机冷却结构方案，对提高大型永磁风力发电机的运行可靠性具有一定的参考意义。
近年来，风能作为一种清洁的可再生能源得到广泛应用，风力发电已成为全球增长最快的新能源。发电机是风力发电系统中的核心部件，永磁电机由于其高效、高功率密度等特点，近年来在以大型化为发展趋势的风电领域得到国内外学者广泛关注。
随着永磁风力发电机单机容量的不断增大和电磁负荷的显著提高，发电机的发热与散热问题已成为制约其向更大容量发展的首要问题。电机长期运行过程中，过高的温升会限制电机电磁性能、威胁绝缘可靠性甚至造成永磁体的不可逆退磁。为了保证发电机长期安全运行，需要对其冷却系统进行合理设计。由于电机冷却能力直接受内、外部冷却介质及其流动状态的影响，对冷却介质散热特性的准确估计是电机分析和设计工作中的要点。
由于基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的流固耦合（Fluid Structure Interaction, FSI）方法可实现电机内温升分布和流变特性的准确分析，随着数值计算技术的发展和计算机性能的提高逐渐得到了研究人员的广泛关注。相比于等效热网络法（Lumped Parameter Thermal-Network, LPTN）与有限元法（Finite Element Method, FEM），FSI方法直接数值模拟流体发热与传热，计算精度较高。将FSI精确分析方法与冷却流路的合理设计相结合的设计思路，已成为大型永磁风力发电机冷却结构设计工作中的重要手段。
文献[10]采用FSI数值分析了通风结构和风道尺寸对一台2.5 MW永磁风力发电机内冷却气体流动和电机温升分布的影响。文献[11]从基于CFD的流场、温度场耦合数学模型及边界的建立与分析出发，仿真研究了空气密度、来流风速、散热筋排布、水冷管道排布对一台1.5 MW风力发电机冷却结构散热能力的敏感性。
文献[12]计算了一台分数槽集中绕组永磁风力发电机耦合的流场及温度场，分析了不同风道数及风道宽度下电机内风冷散热性能，优选了合适的风道结构及尺寸，并提出了更高效的定子径向风冷结构。文献[13]建立了计及成型绕组及绕组间水管排布影响的三维精细CFD分析模型，通过对瞬态流场和温度场数值分析，验证了一台1 000 MW核能发电机空—水混合冷却结构的有效性。文献[14]采用CFD模型分析了一台高速永磁风力发电机耦合的流场和温度场，分析了电机温升分布状态，并提出了定子风道的三种改进结构。
本文以一台1.65 MW永磁风力发电机为例，数值分析电机内的流动和温升分布状态，通过将数值计算结果与温升实验值进行对比分析，验证计算结果的准确性和计算方法的可靠性。针对强迫风冷结构需要外接风机而占据系统空间大、开放式风路易带入粉尘造成阻塞等问题，提出一种由转子幅板支架作为离心式风扇驱动冷却风的全封闭式自循环风冷系统，通过对流场及温度场的数值分析验证系统冷却效果。
在此基础上分析了冷却结构参数对发电机温升的敏感性，优选发电机适宜的冷却结构尺寸。本文的研究工作为改善大型永磁风力发电机的散热能力、提高运行稳定性提供了参考。
图1 永磁风力发电机基本结构与通风结构
图6 1.65 MW发电机样机基本结构
本文通过对1.65 MW永磁风力发电机强迫风冷结构和提出的自循环混合通风冷却结构散热性能的数值研究，得出以下结论：
1）本文流场及温度场耦合温升数值计算结果与实验测量值吻合较好，验证了本文物理数学模型、简化方法、边界设置在大型永磁风力发电机发热与散热分析中的正确性。
2）针对现有强迫风冷结构占用系统空间大、易带入粉尘等问题，本文提出一种由转子幅板支架作为离心式风扇驱动冷却风的全封闭式自循环混合通风冷却结构。通过数值分析，验证该冷却结构可以实现发电机内部的有效散热、均衡发电机温升分布，保证发电机长期稳定运行的可靠性，为大型永磁风力发电机冷却系统设计提供了参考。
3）混合通风冷却结构中，随着定子轴向风道尺寸的增大，发电机温升呈现先降低后升高的趋势。为了保证冷却结构的散热效果，需要根据数值分析合理选取风道尺寸。