變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱分析

　　摘要：針對(duì)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、損耗分布、散熱條件和運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn)，以一臺(tái)100kW變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，采用有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱計(jì)算，揭示不同運(yùn)行狀態(tài)(最大增磁、額定運(yùn)行和最大去磁)下發(fā)電機(jī)的溫升分布規(guī)律。分析電勵(lì)磁電流零點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組銅耗和溫升分布的影響，確定了電勵(lì)磁電流零點(diǎn)設(shè)計(jì)原則;同時(shí)分析風(fēng)速和散熱面積對(duì)發(fā)電機(jī)溫升的影響。對(duì)100kW混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。

　　關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁,風(fēng)力發(fā)電機(jī),溫度場(chǎng),熱分析

　　0引言

　　混合勵(lì)磁同步電機(jī)是將永磁體勵(lì)磁和電勵(lì)磁兩種勵(lì)磁方式相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種電機(jī)，該電機(jī)結(jié)合了永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率和電勵(lì)磁同步電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)，在變速恒壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景[1]。

　　由于變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、損耗分布、散熱條件和運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，不同運(yùn)行狀態(tài)(最大增磁、額定運(yùn)行和最大去磁)下混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫升分布不同，因此需要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱分析。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電機(jī)熱分析方面做了大量研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李立毅等[2]采用有限元法對(duì)短時(shí)工作制高功率密度永磁電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)端部繞組進(jìn)行了分層等效，并對(duì)端部繞組的導(dǎo)熱進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后電機(jī)繞組的溫升降低11K。

　　哈爾濱理工大學(xué)丁樹(shù)業(yè)等[3]對(duì)變頻永磁同步電機(jī)進(jìn)行了熱分析，采用有限體積法對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得出電機(jī)內(nèi)永磁體溫升最高。天津大學(xué)王曉遠(yuǎn)等[4]對(duì)采用不同水路時(shí)車(chē)用高功率密度電機(jī)的溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得出采用優(yōu)化的螺旋型水路電機(jī)的功率可以提高一倍。同時(shí)王曉遠(yuǎn)等[5]還建立了等效熱網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)輪轂電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。

　　沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)張鳳閣等[6]對(duì)不同冷卻方案下1.12MW高速永磁電機(jī)的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得出電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度遠(yuǎn)大于定子溫度，轉(zhuǎn)子碳纖維保護(hù)套的溫度最高。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)佟文明等[7]分別基于有限元法、有限體積法和有限公式法對(duì)全封閉自扇冷永磁同步電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得出有限公式法比有限元法節(jié)約時(shí)間50%以上，有限公式法計(jì)算精度和有限元法相當(dāng)。文獻(xiàn)[8]對(duì)比分析了非晶合金電機(jī)和硅鋼片永磁電機(jī)溫度分布的差異性，得出非晶合金電機(jī)的各部件溫升明顯降低，對(duì)于中低頻電機(jī)，非晶合金電機(jī)的永磁體渦流損耗可能增大。

　　文獻(xiàn)[9-10]對(duì)高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子散熱進(jìn)行了研究，提出轉(zhuǎn)子風(fēng)刺和通風(fēng)孔可以提高轉(zhuǎn)子的散熱能力，降低永磁體溫升。北京交通大學(xué)李偉力等[11]對(duì)全空冷水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了熱分析，采用有限體積法對(duì)轉(zhuǎn)子的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，確定了轉(zhuǎn)子內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫升分布。同時(shí)李偉力等[12]還對(duì)磁軛通風(fēng)溝形變對(duì)電機(jī)溫升的影響進(jìn)行了研究，得出通風(fēng)溝發(fā)生形變使電機(jī)勵(lì)磁繞組溫差變大并會(huì)出現(xiàn)局部高溫。

　　華中科技大學(xué)曲榮海等[13]采用有限體積法對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并提出在定子槽中開(kāi)設(shè)徑向通風(fēng)孔來(lái)改進(jìn)繞組散熱，使繞組最高溫升降低5K。英國(guó)牛津大學(xué)R.Camilleri等[14]對(duì)油冷分段定子電機(jī)進(jìn)行了熱分析，建立了電機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱網(wǎng)絡(luò)，采用控制流體分布來(lái)改進(jìn)電機(jī)散熱，電機(jī)的最高溫升降低了13K。

　　英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)Y.C.Chong等[15]采用有限體積法對(duì)軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得出改進(jìn)入風(fēng)口結(jié)構(gòu)可以提高電機(jī)的散熱。芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)J.Nerg等[16]對(duì)高功率密度電機(jī)進(jìn)行了熱分析，建立了電機(jī)各部件熱網(wǎng)絡(luò)和流體熱網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)電機(jī)熱計(jì)算的敏感性進(jìn)行了分析，指出繞組徑向熱導(dǎo)率是影響熱網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確性的重要參數(shù)。法國(guó)阿爾斯通公司G.Traxler-Samek等[17]對(duì)大型空冷同步電機(jī)進(jìn)行了熱分析，建立了電機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱網(wǎng)絡(luò)，確定了電機(jī)整體溫度分布。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方面的研究取得了一定的成果。但是，針對(duì)損耗分布和運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜的變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方面的研究還鮮有報(bào)道。本文以一臺(tái)100kW混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，采用有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱計(jì)算，揭示不同運(yùn)行狀態(tài)(最大增磁、額定運(yùn)行和最大去磁)下發(fā)電機(jī)的溫升分布規(guī)律。分析電勵(lì)磁電流零點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組銅耗和溫升分布的影響，同時(shí)分析風(fēng)速和散熱面積對(duì)發(fā)電機(jī)溫升的影響。利用樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。本文的研究工作對(duì)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

　　1混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)

　　100kW變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)速范圍為75~120r/min。發(fā)電機(jī)定子鐵心和轉(zhuǎn)子磁極沿軸向分成兩段，兩段定子鐵心和轉(zhuǎn)子磁極由定子背軛和轉(zhuǎn)子背軛在機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)連接，定子背軛和轉(zhuǎn)子背軛由具有良好導(dǎo)磁性能的純鐵制成;勵(lì)磁繞組放置在兩段定子鐵心中間位置的背軛上;轉(zhuǎn)子磁極由永磁體磁極和鐵磁極組成，二者交錯(cuò)排列;定子電樞繞組為常規(guī)三相對(duì)稱繞組。

　　該混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體和勵(lì)磁繞組共同建立。根據(jù)永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)和電勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用機(jī)理，該發(fā)電機(jī)存在三種運(yùn)行狀態(tài)，分別為：①永磁體單獨(dú)勵(lì)磁;②永磁體和電勵(lì)磁二者共同勵(lì)磁，電勵(lì)磁起增磁作用;③永磁體和電勵(lì)磁二者共同作用，電勵(lì)磁起去磁作用[18]。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)速變化大，要求發(fā)電機(jī)在寬速度范圍內(nèi)電壓輸出恒定。當(dāng)發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電勵(lì)磁使其產(chǎn)生增磁磁場(chǎng);當(dāng)發(fā)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電勵(lì)磁使其產(chǎn)生去磁磁場(chǎng)，從而可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

　　2發(fā)電機(jī)求解模型

　　2.1物理模型

　　在對(duì)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解時(shí)，做出如下假設(shè)：1)發(fā)電機(jī)沿圓周方向的溫度分布對(duì)稱。2)發(fā)電機(jī)在圓周方向的冷卻條件相同。3)忽略定子槽部繞組的趨膚效應(yīng)。4)發(fā)電機(jī)雜散損耗集中于定子齒部、轉(zhuǎn)子極靴和永磁體。5)將電樞繞組和勵(lì)磁繞組的股線絕緣、層間絕緣、主絕緣以及槽內(nèi)空氣等效為一個(gè)絕緣實(shí)體，絕緣實(shí)體采用等效的導(dǎo)熱系數(shù)。基于上述基本假設(shè)，結(jié)合混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳熱散熱特性，取電機(jī)軸向長(zhǎng)度的1/2和圓周方向的1/5(單元電機(jī))作為電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算的求解域。

　　3發(fā)電機(jī)溫升計(jì)算

　　3.1發(fā)電機(jī)的冷卻條件和散熱系數(shù)確定

　　變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用自然風(fēng)冷，運(yùn)行環(huán)境風(fēng)速直接影響發(fā)電機(jī)的散熱，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的溫升。

　　3.2發(fā)電機(jī)熱源確定

　　不同運(yùn)行狀態(tài)下混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各部件產(chǎn)生的損耗不同。其中，雜散損耗取為發(fā)電機(jī)功率的0.5%，雜散損耗分布在電機(jī)定子齒和轉(zhuǎn)子極靴中。

　　3.3發(fā)電機(jī)溫升計(jì)算結(jié)果

　　根據(jù)上述確定的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的散熱邊界條件和熱源，采用ANSYS軟件對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱計(jì)算，環(huán)境溫度為30℃。

　　通過(guò)分析可以得出，最大增磁狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的電樞繞組溫升較低，最高溫升位于勵(lì)磁繞組，最高溫升為52.9K。這是由于此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率小，電樞繞組銅耗較小，勵(lì)磁繞組銅耗較大。額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的最高溫升位于電樞繞組，最高溫升為52.2K，勵(lì)磁繞組溫升較低。這是由于此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率大，電樞繞組銅耗大，而電勵(lì)磁電流較小，勵(lì)磁繞組銅耗較小。

　　最大去磁狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的整體溫升較高，最高溫升位于勵(lì)磁繞組，最高溫升為69.8K。這是由于此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、頻率較高、鐵耗較大，發(fā)電機(jī)的輸出功率大，電樞繞組銅耗較大，勵(lì)磁繞組銅耗較大。

　　4發(fā)電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)

　　本文根據(jù)100kW混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了樣機(jī)制造。直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)連接減速齒輪箱拖動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)，發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行，利用冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻。為了對(duì)發(fā)電機(jī)主要部件的溫升進(jìn)行測(cè)試，在樣機(jī)的勵(lì)磁繞組中預(yù)埋1個(gè)PT100溫度傳感器，電樞繞組預(yù)埋6個(gè)PT100溫度傳感器。

　　對(duì)樣機(jī)進(jìn)行熱實(shí)驗(yàn)，原動(dòng)機(jī)連接減速齒輪箱拖動(dòng)樣機(jī)旋轉(zhuǎn)，樣機(jī)工作在額定運(yùn)行條件下，冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行冷卻。在樣機(jī)熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)中部風(fēng)速為10m/s，每隔15min記錄各溫度傳感器的溫度和環(huán)境溫度，當(dāng)30min內(nèi)發(fā)電機(jī)溫差小于1K時(shí)，認(rèn)為發(fā)電機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　5電勵(lì)磁電流零點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞

　　組銅耗和溫升的影響通過(guò)控制混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電勵(lì)磁電流方向和大小可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)內(nèi)部勵(lì)磁磁場(chǎng)，電勵(lì)磁磁場(chǎng)可以起增磁作用，也可以起去磁作用。當(dāng)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電勵(lì)磁電流為零(Ie=0)時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體單獨(dú)提供�；旌蟿�(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電勵(lì)磁電流零點(diǎn)可以設(shè)計(jì)在發(fā)電機(jī)任意工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。電勵(lì)磁電流零點(diǎn)的選取直接影響混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下的勵(lì)磁繞組銅耗，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的溫升分布。

　　在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)整體溫度分布情況，避免出現(xiàn)局部過(guò)熱點(diǎn)。本文分析電勵(lì)磁電流零點(diǎn)的選取對(duì)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組銅耗和溫升的影響。

　　6結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)100kW變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱計(jì)算與分析，得出以下結(jié)論：1)最大增磁和最大去磁運(yùn)行狀態(tài)下，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)最高溫升位于勵(lì)磁繞組;額定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)最高溫升位于電樞繞組。2)電勵(lì)磁電流零點(diǎn)應(yīng)選擇在100~104r/min之間，此時(shí)不同運(yùn)行狀態(tài)下混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組銅耗均較小，且發(fā)電機(jī)溫升分布均勻。3)隨著風(fēng)速的提高，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫升降低的幅度逐漸變小。當(dāng)風(fēng)速高于20m/s時(shí)，風(fēng)速每增加2m/s，發(fā)電機(jī)溫升降低小于1K。4)隨著散熱面積的增加，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻效果提高的幅度變小，發(fā)電機(jī)的散熱面積增加2～2.5倍時(shí)為宜。

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