永磁直驱风电机组电机冷却水套仿真分析

高志宽，刘 泉，陈志华

(北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192)

0 引言

风力发电机有很多种。一般传统风电机主要由发电机、风轮机以及齿轮变速箱等组成，利用增速机构提升风轮机速度，风轮机将风能转化为机械能，再由齿轮箱传递给发电机发电[1]。但是，这种传统风力发电机存在很大弊端，增速齿轮箱机构不仅带来噪音和振动，而且后期因润滑和机械磨损而需要定期维护，增加了运行成本。

随着现代电机技术的不断发展，新一代的风力发电机出现在市场上，其中以直驱永磁风力发电机为代表，为风力发电行业带来了一场革命[2]。直驱永磁风力发电机去除了增速齿轮箱机构，用永磁体代替电励磁，电机运行更加可靠、稳定[3]。虽然直驱永磁风力发电机在性能上提升了很多，但是也存在一些问题[4]。随着设计功率越来越大，风电机组在运行过程中由于铜损、铁损、机械摩擦等产生的热量也越来越多，运行温度如果过高会导致永磁体不可逆退磁，对风电机组安全、稳定运行威胁很大[5]。大功率永磁直驱风电机组冷却系统的相关研究对风电机组的进一步发展意义重大。蒋彦龙等[2]对MW级风力发电机水冷系统进行了优化设计。兰志勇等[3]对一种风电机组轴向迂回管路水冷模型进行了ANSYS仿真分析。本文对3 MW永磁直驱大功率风电机组发热原理进行分析，并对一种风电机组水冷系统——冷却水套，进行ANSYS有限元热场仿真分析，研究其冷却性能。

1 永磁直驱风电机组发热因素

3 MW永磁直驱风电机组由于没有增速齿轮箱机构，所以发热主要是由电机运行过程中的各种损

耗引起，主要有：铁损耗、铜损耗、机械损耗、风摩损耗等[6]。铁损耗主要是在电机运行过程中，因磁场中的高次谐波在铁心、永磁体等处产生涡流发热[7]；铜损耗是由于绕组铜导线中本身电阻及电流分布不均匀引起的损耗；机械损耗主要是由电机轴承机械摩擦引起的损耗。直驱式风电机组一般转速较低，额定转速一般在20 r/min左右，所以风摩损耗较小，以铁损耗、铜损耗、机械损耗为主。电机总损耗为

P=PFe+PCu+PM+PW

(1)

式中：PFe为铁损耗；PCu为铜损耗；PM为机械损耗；PW为风摩损耗。一般电机额定效率可以达到95%左右，电机总损耗在5%左右[8]。

2 风电机组冷却形式

如表1所示，不同功率的风电机组冷却形式不同[9]。兆瓦级的大功率风电机组常用的冷却形式有自然风冷、强制风冷、水冷3种形式[10]，更大功率的风电机组可以水冷和强制风冷组合使用。

表1 不同冷却形式比较

强制风冷和水冷都可以满足3 MW直驱风电机组的冷却需求。由于强制风冷与外界连通，风力发电机工况环境一般较差，容易导致雨水、泥沙等进入机组内部，影响机组使用寿命，所以采用防护等级更高的水冷冷却形式。

3 温度场模型和水冷模型

电机内、外散热系数直接影响到冷却系统的冷却效果[11]，对流散热系数计算如下：

1)电机组外壳与外界一般为自然冷却，对流散热系数为

(2)

式中α为电机组外壳表面空气初始温度。

2)定子内表面与气隙间对流散热系数为

(3)

式中v为转子外表面线速度。

3)转子外表面与气隙间对流散热系数为

(4)

冷却水套固定于定子外圈，如图1、图2所示。里外分为两层，内层为冷却液通道，冷却液由外接水泵驱动，与外部散热器相连通，内部冷却液为比热容较大、冰点较低的60%乙二醇溶液[12]；外层为风通道。冷却水套结构简单、制造方便，与定子接触面积大，散热性能好，一般不会出现流动短路和流动盲区[13]。

水套冷却水冷模型可以参考湍流k-ε模型：

(5)

式中：ρ为冷却液体密度；k为冷却液体湍流动能；vi、vj分别为液体在i、j方向的速度矢量；μ为层流粘性系数；μt为湍流粘性系数；σk、σe为普朗特数；ε为湍流能耗散率；C1ε、C2ε为经验常数。

4 水套冷却系统ANSYS仿真分析

在ANSYS Workbench软件平台下，利用state-thermal热分析模块对风机冷却水套做稳态热分析，该分析基于如下的简化和假设：

1)由于热量主要由铁损、铜损和摩擦损耗引起，所以可假设热量全部来自于定子；

2)风通道的对流冷却效果较小，可忽略不计，即全部热量均由冷却液通道冷却带走；

3)冷却液通道中，冷却液与通道壁面的对流换热系数根据冷却介质和冷却通道材料属性取1500 W/m2K；

4)冷却液温差较小，可假定冷却液没有温差；

5)冷却液通道壁面与定子紧密固定，接触热阻较小，可忽略不计。

冷却水套模型关于对称轴呈轴对称，为了减少网格数量规模、节省计算资源，由冷却水套模型的对称性，取整个模型的1/4作为分析对象，如图3所示。

冷却水套采用碳钢材料，输入其导热系数。网格划分采用软件中智能网格划分功能，在mesh下插入多区控制和尺寸控制，如图4、图5所示。

传热边界条件设定：插入对流换热convection边界条件，scope选择冷却液通道的所有内壁面，输入对流换热系数，插入内部生成热，根据3 MW风电机组冷却参数，热负荷输入总散热量为60 kW，如图6所示。

边界条件确定后，对冷却水套模型进行求解计算，得到温度分布云图。如图7所示，经水套冷却后，冷却水套与定子整体温度在45.11～93.67 ℃之间，由内到外温度逐渐升高，温度差值较大，冷却效果明显。

由图8可知，冷却水套温度最高为63.93 ℃，最低为45.11 ℃，温度差值较小，冷却能力较强。

由图9定子温度云图可以看出，定子内圈由于和转子配合，电机内部散热效果较差，定子齿尖处温度最高，为93.67 ℃，小于许可的最高温度150 ℃。

通过上述分析可知，该冷却水套对3MW永磁直驱风电机组冷却效果明显，并留有较大余量，以弥补仿真简化与假设所造成的误差。

5 结束语

本文对大功率永磁直驱风电机组电机发热情况进行理论分析，根据其发热特点采用冷却水套冷却装置，并对冷却水套装置进行结构设计理论研究和ANSYS温度场仿真分析。通过仿真结果可以看出，冷却水套对3MW甚至更大功率的永磁直驱风电机组有着良好的散热效果，为实践生产提供一定的参考价值。同时也可看出电机内部发热，尤其是转子绕组发热量很大，由于电机内部气隙温度对流系数较小，转子内部冷却情况较差，对于更大功率的电机可采用空芯导线内部水冷进行散热。