变速恒压混合励磁风力发电机的热分析
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心、沈阳工业大学机械工程学院的研究人员吴胜男、李文杰、安忠良、于慎波，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文，针对混合励磁风力发电机的结构、损耗分布、散热条件和运行状态复杂的特点，以一台100 kW变速恒压混合励磁风力发电机为例，采用有限元法对发电机进行热计算，揭示不同运行状态（最大增磁、额定运行和最大去磁）下发电机的温升分布规律。
分析电励磁电流零点设计对发电机励磁绕组铜耗和温升分布的影响，确定了电励磁电流零点设计原则；同时分析风速和散热面积对发电机温升的影响。对100kW混合励磁风力发电机样机进行温升实验，通过实验和计算结果的对比分析，验证了计算结果的正确性。
混合励磁同步电机是将永磁体励磁和电励磁两种励磁方式相结合而发展起来的一种电机，该电机结合了永磁同步电机高转矩密度、高功率密度、高效率和电励磁同步电机磁场调节方便的优点，在变速恒压风力发电系统中具有良好的应用前景。
由于变速恒压混合励磁风力发电机的结构、损耗分布、散热条件和运行状态复杂，不同运行状态（最大增磁、额定运行和最大去磁）下混合励磁风力发电机内部的温升分布不同，因此需要对发电机进行热分析。
近年来，国内外学者在电机热分析方面做了大量研究工作。哈尔滨工业大学李立毅等采用有限元法对短时工作制高功率密度永磁电机的温度场进行了计算，对端部绕组进行了分层等效，并对端部绕组的导热进行优化，优化后电机绕组的温升降低11 K。
哈尔滨理工大学丁树业等对变频永磁同步电机进行了热分析，采用有限体积法对电机的温度场和流体场进行了计算，得出电机内永磁体温升最高。天津大学王晓远等对采用不同水路时车用高功率密度电机的温度场和流体场进行了计算，得出采用优化的螺旋型水路电机的功率可以提高一倍。同时王晓远等还建立了等效热网络模型对轮毂电机的温度场进行了计算。
沈阳工业大学张凤阁等对不同冷却方案下1.12 MW高速永磁电机的流体场和温度场进行了计算，得出电机转子温度远大于定子温度，转子碳纤维保护套的温度最高。沈阳工业大学佟文明等分别基于有限元法、有限体积法和有限公式法对全封闭自扇冷永磁同步电机进行温度场计算，得出有限公式法比有限元法节约时间50%以上，有限公式法计算精度和有限元法相当。
文献[8]对比分析了非晶合金电机和硅钢片永磁电机温度分布的差异性，得出非晶合金电机的各部件温升明显降低，对于中低频电机，非晶合金电机的永磁体涡流损耗可能增大。文献[9-10]对高速永磁电机的转子散热进行了研究，提出转子风刺和通风孔可以提高转子的散热能力，降低永磁体温升。
北京交通大学李伟力等对全空冷水轮发电机进行了热分析，采用有限体积法对转子的流体场和温度场进行了计算，确定了转子内的空气流动和温升分布。同时李伟力等还对磁轭通风沟形变对电机温升的影响进行了研究，得出通风沟发生形变使电机励磁绕组温差变大并会出现局部高温。
华中科技大学曲荣海等采用有限体积法对强迫风冷永磁风力发电机的流体场和温度场进行了计算，并提出在定子槽中开设径向通风孔来改进绕组散热，使绕组最高温升降低5 K。英国牛津大学R. Camilleri等对油冷分段定子电机进行了热分析，建立了电机流体网络和等效热网络，采用控制流体分布来改进电机散热，电机的最高温升降低了13 K。
英国爱丁堡大学Y. C. Chong等采用有限体积法对轴向磁通永磁发电机的流体场和温度场进行了计算，得出改进入风口结构可以提高电机的散热。芬兰拉彭兰塔理工大学J. Nerg等对高功率密度电机进行了热分析，建立了电机各部件热网络和流体热网络，并对电机热计算的敏感性进行了分析，指出绕组径向热导率是影响热网络模型准确性的重要参数。法国阿尔斯通公司G. Traxler-Samek等对大型空冷同步电机进行了热分析，建立了电机流体网络和等效热网络，确定了电机整体温度分布。
国内外学者在电机温度场计算方面的研究取得了一定的成果。但是，针对损耗分布和运行状态复杂的变速恒压混合励磁风力发电机温度场计算方面的研究还鲜有报道。本文以一台100 kW混合励磁风力发电机为例，采用有限元法对发电机进行热计算，揭示不同运行状态（最大增磁、额定运行和最大去磁）下发电机的温升分布规律。
分析电励磁电流零点设计对发电机励磁绕组铜耗和温升分布的影响，同时分析风速和散热面积对发电机温升的影响。利用样机实验验证计算结果的正确性。本文的研究工作对混合励磁风力发电机的设计具有参考价值。
图1 100kW混合励磁风力发电机结构
图4 100kW混合励磁风力发电机样机
图5 样机实验平台
本文通过对100kW变速恒压混合励磁风力发电机的热计算与分析，得出以下结论：
1）最大增磁和最大去磁运行状态下，混合励磁风力发电机最高温升位于励磁绕组；额定运行时，发电机最高温升位于电枢绕组。
2）电励磁电流零点应选择在100~104r/min之间，此时不同运行状态下混合励磁风力发电机励磁绕组铜耗均较小，且发电机温升分布均匀。
3）随着风速的提高，混合励磁风力发电机温升降低的幅度逐渐变小。当风速高于20m/s时，风速每增加2m/s，发电机温升降低小于1K。
4）随着散热面积的增加，混合励磁风力发电机冷却效果提高的幅度变小，发电机的散热面积增加2～2.5倍时为宜。