基于改进结构双定子无刷双馈发电机热计算

蒋晓东，吴东升

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

双定子结构电机因其具有较高的功率密度和效率，受到国内外专家学者的广泛关注[1-3]。在风力发电领域，目前主流机型是永磁同步发电机[4]和有刷双馈感应发电机[5-6]。随着近些年来国家对稀土资源开采的限制，致使永磁电机成本越来越高；另外有刷双馈感应发电机的电刷和滑环需要经常维护，其维护费用较高。无刷双馈电机(Brushless Doubly Fed Machine，BDFM)是近年来发展比较迅速的一种新型电机[7-9]；与永磁电机比较，BDFM变流器控制系统为转差功率变换型，大大降低了发电系统成本；与有刷双馈感应发电机相比，BDFM取消了电刷和集电环，具有无刷可靠结构，降低了维护成本。

考虑到双定子电机的特点以及BDFM在风力发电领域独特优势，具有双定子结构的无刷双馈风力发电机逐渐成为研究热点。文献[10-11]针对新型结构双定子无刷双馈发电机的稳态特性、转矩/功率密度优化等进行了研究；文献[12]针对笼障转子双定子无刷双馈电机的电磁性能进行了分析。然而针对双定子无刷双馈电机机械及冷却结构方面的研究还鲜有报道。

本文针对新型混合转子双定子无刷双馈发电机(Double Stator Brushless Doubly Fed Generator，DSBDFG)在试验过程中出现转子与内定子扫膛现象，提出机械结构改进方案，基于改进后结构，建立1/5结构整机三维温度场有限元模型，分析计算结果可知，该电机双定子区域温升较高，据此提出双水路冷却结构方案，建立考虑冷却结构的温度场有限元模型；通过仿真分析可知，双定子区域温度大幅度降低，冷却结构设计合理有效；通过对样机温度测试，验证了针对该发电机所提出双水路冷却结构的合理性和有效性。

1 机械结构

1.1 绕组连接方式

混合转子DSBDFG内外定子中均包含功率绕组和控制绕组，内外功率绕组采用串联连接方式与电网相连；内外控制绕组同样采用串联方式。区别于功率绕组的是所形成的总控制绕组通过变频器与电网间接连接，如图1所示。

图1 绕组连接拓扑

1.2 原始结构

混合转子DSBDFG原始机械结构如图2所示。外定子采用热套方式装配于机壳内，内定子通过键与空心静止轴固定连接。转子由驱动轴带动转子前端盖、隔磁圆筒以及转子后端盖共同旋转构成该发电机的传动系统。内外定子中绕组分别通过机壳上的预留孔及空心静止轴引出。

图2 原始机械结构

1.3 原始机械结构改进

在试验过程中，能够听到样机内定子撞击转子发出的周期性异响，即出现扫膛现象。停机检查结果如图3所示，其中图3a和图3b分别为内定子外表面与转子内表面的撞击痕迹。

图3 机械故障

观察图3可知，位于空心静止轴悬臂一侧的内定子外表面及转子内表面均出现了因撞击产生的划痕，究其原因是在设计之初并没有考虑到内定子会由于重力的影响使空心静止轴悬臂一侧向下倾斜；另外在转子旋转过程中，因倾斜导致气隙沿轴向方向不均匀，静止轴悬臂一侧所受单边磁拉力加剧了此倾斜程度，最终导致内定子与转子出现扫膛现象。为解决上述问题，提出了机械结构改进方案，如图4所示。

观察图4可知，驱动轴与转子前端盖加工成一整体，原空心静止轴悬臂一端与新结构件(驱动轴+转子前端盖)之间加装了密封轴承，这样内定子由原来单端支撑改为双端支撑，解决了扫膛问题。

图4 改进的机械结构

2 热计算

2.1 有限元模型

为计算混合转子DSBDFG各结构的温度分布，针对额定功率为50kW、转速为360r/min的样机，建立其整机1/5结构的温度场有限元模型，如图5所示。

图5 有限元模型

2.2 热源分析

损耗作为电机的热源，在温度计算过程中起重要作用，混合转子DSBDFG磁场丰富，采用有限元方法得到不同结构损耗结果，如表1所示。由于该电机转速较低，轴承损耗较小，可忽略不计。

表1 损耗分布 W

2.3 导热系数与散热系数

混合转子DSBDFG稳态热计算需要各种材料导热系数，如表2所示。

表2 材料导热系数 W/(m·K)

定子槽内绕组端部散热系数为

(1)

式中：Nuet为端部努塞尔特常数；λa为空气导热系数；det为端部等效直径。

其中

(2)

(3)

(4)

式中：D1和Di1分别为定子铁心外径和内径；Ret为端部气流雷诺数；n为转速；D2为转子外径；γ为空气动力粘度系数。

2.4 仿真结果

经过有限元仿真，得到混合转子DSBDFG主要结构的温度分布结果，如图6所示。

图6 主要结构温度分布

观察图6可知，混合转子DSBDFG内外定子区域(包括槽内绕组)温升均较高，最高温度可达235.6℃。由于该电机采用F级绝缘，最高允许温度为155℃，因此需要对混合转子DSBDFG进行冷却系统设计。

3 冷却系统

针对混合转子DSBDFG改进后机械结构的特点，本文提出内外双水路作为该种发电机的冷却结构，如图7所示，其中图7a表示机壳外轴向水路结构，图7b表示内水路水管分布结构。

图7 水路位置及结构

考虑冷却结构的混合转子DSBDFG温度场有限元模型如图8所示，将机壳内轴向水路及内定子水管对温度的影响均用散热系数进行等效处理。

图8 考虑冷却结构有限元模型

水道(管)内表面散热系数根据流体受迫流动准则方程求解，对于湍流模型，方程为

Nu=0.023Re0.8Prn

(5)

式中：Nu为努塞尔特数，Nu=αdwet/λ，α为散热系数，dwet为水道当量直径，λ为流体热导率；Re为雷诺数，Re=μdwet/υ，υ为流体黏度，μ为流体速度；Pr为普朗特数，Pr=υ/a，其中a=λ/ρcp，ρ为流体密度，cp为流体比热容。当机壳内轴向水道进水口水速为1m/s，内定子水管进水口水速为0.8m/s时，混合转子DSBDFG稳态温度场仿真结果如图9所示。

对比图6和图9可知，外定子最高温度由166.6℃降到71.5℃；内定子最高温度由228.8℃降到56.1℃；外绕组由170.9℃降到64.5℃；内绕组由235.6℃降到72.1℃。

图9 考虑冷却后主要结构温度分布

4 温度测试

结构改进后50kW混合转子DSBDFG驱动轴及静止轴如图10所示。双水路冷却结构如图11所示，其中图11a为机壳轴向水路内外进水口，图11b为内定子水管结构。内外定子槽中分别置有PT100热敏电阻，用以监测绕组温度随时间变化情况。样机温度测试平台如图12所示。

图10 改进的驱动轴及静止轴结构

图11 双水路结构

图12 温度测试平台

当样机在额定转速360r/min下运行，机壳轴向水道水流量为3.6m3/h，内定子水管水流量为1.2m3/h，额定负载运行下内外定子绕组温度随时间变化曲线如图13所示，环境温度为22℃。

图13 绕组温度随时间变化曲线

观察图13可知，内外定子槽内绕组稳态温度分别为60.5℃和82℃，与仿真结果对比误差比较大，这是因为控制内外水路流量的水泵阀门锈蚀严重，已无法保证能准确提供与设计相同的流量值。虽如此，但实验结果仍表明双水路冷却结构能够大幅度降低该发电机的温升，从而验证了本文针对混合转子DSBDFG所提出的双水路冷却结构的合理性和有效性。

5 结论

针对混合转子DSBDFG原始机械结构在试验过程中出现的机械故障，提出了一种新结构改进方案，即静止轴由单端支撑改为双端支撑，将驱动轴与转子前端盖焊接成一整体结构件，该结构为现有双定子电机的机械拓扑结构提供了一种新思路。为解决DSBDFG测试过程温升较高的问题，提出了双水路冷却结构，通过对其稳态温度场有限元仿真结果及样机温度测试结果的分析可知，本文所提出的双水路冷却结构(机壳轴向水路+内定子水管)能够有效降低混合转子DSBDFG温升，保证了该发电机安全稳定运行。