基于流固耦合的永磁直驱风力发电机传热分析

邢军强 汪明武 孔莹莹

基于流固耦合的永磁直驱风力发电机传热分析

邢军强 汪明武 孔莹莹

（沈阳工程学院，沈阳 110000）

海上的风力发电已经逐渐变成一种大趋势。大功率的电机对装置的散热要求很高，因此对电机进行温度场分析可以很好地指导电机冷却系统的设计。强迫水冷电机与自然风冷电机相比具有散热效果好、噪声产生少，以及使用寿命更高等优点。本文以一台外转子永磁直驱风力发电机组为研究对象，基于流固耦合和共轭传热的分析方法，利用Ansys软件对正常工作下的电机进行温度场分析，从而得到电机内部主要部件的温度分布。最终，通过对一台10MW外转子电机进行流固耦合分析，对比计算不同冷却水流速下的电机温升分布，得出冷却流体流速与电机温升的关系曲线，为电机冷却设计提供参考。

永磁直驱风力发电机；传热分析；流固耦合

0 引言

作为一种可再生的清洁能源，海上风能越来越受到人们的青睐，尤其是风力发电[1-2]。永磁体在高温的环境下容易失去磁性，因此永磁体的散热是一个需要解决的问题[3-4]。对电机进行温度场分析可以很好地指导电机冷却系统的设计。有限元分析法、热路法以及简化公式法是电机温度场的主要计算方法，目前普遍采用的是有限元分析法[5]。电机温度计算的难点在于必须先根据流体场分析确定不同情况下的电机各个部分的散热系数。在外加强迫冷却时，电机的这些参数除了和电机材料本身的参数有关以外，还和电机风路设计密切相关[6]，特别是发电机转子和气隙之间的的传热系数，需要大量的公式推导计算才能确定下来。

本文利用流固耦合共轭传热的原理通过判别流体气隙的流动状态，算出气隙层的等效热导率e，并根据经验公式算出电机主要部分的损耗。最后，以一台10MW永磁直驱同步发电机为例，在管道入口处通以不同水流速，对电机进行温度场分析，并进行对比，验证方法的有效性。

1 流固耦合电机传热分析

1.1 计算原理

电机传热过程主要有固体热传导、流体热对流和流固共轭传热等。流体部分控制方程包括

1）质量守恒方程

式中：为流体的密度；为运动时间；为流体运动速度。对于密度变化可以忽略不计的不可压缩流体，连续性方程简化为

2）动量守恒方程

3）能量守恒方程

式中：S为能量源；为流体的比焓。

4）标准湍流模型

在标准的模型中，和由如下两个方程确定[8]。

式（7）和式（8）中，G和G分别为由平均速度梯度和浮力引起的湍动能。

与流体区域相比，固体区域的计算公式相对简单些，仅有热量的传递过程，由下式计算

式中：为比焓；为密度；为导热系数；为固体区域温度；为单位体积损耗。

在流-固界面上温度和热流密度相等。具体控制方程式为

式中：f和s分别为流体温度和固体温度；f和s分别为流体导热系数和固体导热系数；为流固耦合面法向量；f和s分别为流体一侧和固体一侧的单位体积损耗。

1.2 模型建立

1）假设条件

为了合理简化计算，做出以下基本假设：

（1）各部件的损耗均匀分布。

（2）轴承处的机械损耗较大，电机内部机械损耗相对较小，本文主要研究电机定转子温升，因此忽略轴承旋转产生的机械损耗。

（3）电机辐射散热非主要传热方式，计算温度场时可忽略不计。

（4）忽略因电机温度变化引起的电导率和热导率的变化。

2）边界条件

分别设管道入口水流速为0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s、4.5m/s和5.0m/s，入口水温20℃。水管出口为压力出口边界条件。流体在壁面的相对速度为0，即无滑移边界。根据转子运动的转速，设转子外表面处空气流速为3.8m/s。

3）材料属性

永磁同步发电机主要由转子、定子、机壳、绕组、转轴构成。所涉及到的材料有铜、铁、永磁材料、硅钢等。考虑到大功率永磁发电机的直径尺寸较大，所需要的机械强度也更高，定子和转子冲片适宜采用磁饱和性能相对更好的冷轧硅钢片。电机永磁材料的选取应既能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场且满足规定的电机性能指标，也要保证经济性。电机主要结构材料的选取见表1。

表1 10MW外转子风力发电机主要结构材料

2 永磁直驱同步电机损耗计算

2.1 电机参数设计

风力发电机的指标见表2。

因农作物对钙的吸收是被动吸收，土壤中的钙是通过蒸腾拉力随水一起进入作物体内。尤其阴雨天气较多时，作物蒸腾作用会降低很多，就会影响作物对钙的吸收。这时及时补充钙肥可促进根系发育，培育健壮植株，促进花芽分化。

表2 10MW风力发电机设计指标

确定了额定转速和功率后，电机的主要尺寸由负荷来确定，电机主要尺寸计算公式为[9]

式中：t为铁心的计算长度；il为定子的内径；为电机计算功率；为电机总电流；为极弧系数；为磁波系数；为额定转速；dp为绕组系数；为气隙大小。

发电机的主要设计尺寸见表3。

2.2 损耗计算

1）绕组损耗计算

定子绕组损耗可以根据下式计算[10]

表3 发电机主要设计尺寸

式中，s为高频时导线的集肤效应系数，由于直驱电机频率较低，忽略趋肤效应即s为1。

2）铁心损耗计算

式中：Fe为铁耗；为频率；p为磁密最大值；h、c、e分别为磁滞损耗系数、涡流损耗系数和异常损耗系数。

3）永磁体涡流损耗计算

永磁体的涡流损耗可以根据下式计算[11]

式中：z为z向的电流密度；为永磁体电导率。

通过计算，得到电机在额定工况下工作的主要损耗值，见表4。本文将杂散损耗按照比例折算到其他部件中，使温度场计算模型总发热量与磁场计算值相同。

表4 额定工况下主要部件损耗值和单位体积损耗

3 基于流固耦合的温度场计算

根据有限体积法，建立10MW永磁直驱同步发电机流体场模型，根据对称取电机的1/16建模，模型如图1所示，图2所示为剖分六面体结构化网格。

图1 电机水冷计算模型

图2 网格划分

电机在工作的过程中，定子和转子是相对运动的。定子与转子之间的换热系数难以确定。假设定转子之间处于相对静止状态，这样定转子之间的气隙层变成了一个静止气隙层。该处的传热过程将由原来的对流换热转变为类似固体的热传导。本文气隙层的导热系数e根据流体流动状态的不同做如下处理：

等效气隙的雷诺数

气隙的临界雷诺数

式中：1、2分别为定子外径和转子内径；1为转速；为气隙厚度；为空气粘度系数。

当等效气隙层的雷诺数小于临界雷诺数时，即此时气隙内流体为层流流动，可取等效热导率为空气的热导率；当等效气隙层的雷诺数大于临界雷诺数时，即气隙内为紊流流动，等效热导率按下式计 算[12]

本文模型气隙层的雷诺数大于临界雷诺数，由式（17）计算得到的等效热导率为0.2W/（m·K）。

通过以上数据建立温度场分析模型，取垂直水管的截面和水管中心线连线的曲面的温度场来观察散热情况，如图3所示。通过控制不同的入口水流速，进而得到不同的电机温度场云图。

图3 温度场截面位置示意图

1）无水冷时

无水冷时，主截面上的温度云图如图4所示。因模型简化成静止状态，且无水冷时电机主要靠空气自然对流散热，故对实际结果影响较大，此状态下的温度场计算结果仅用作对比参考。

图4 无水冷时温度场云图

2）电机水冷

入口水流速为0.1m/s时，其主截面上的温度场如图5所示。可以看到，稳定时最高温度为111.2℃。由于定转子之间的空气层热阻较大，所以此处温度梯度很大。此外定子由于水冷的作用出现了明显的温度下降，最高温度部分出现在绕组和定子的顶部。水管中心连线曲面温度场云图如图6所示。从图6可以看出，由于水管不是等距排列，两水管间的铁心最高温度存在差异。

通过改变流体流速，基于流体场温度场分析可知，定转子及绕组的温度有明显的变化，因此基于以上研究，针对不同流速时电机温升变化及趋势，进行对比计算，图7—图10分别为入口水流速0.3m/s、1.0m/s、3.0m/s及5.0m/s时温度场云图。

基于流体场软件对电机温升计算，得出不同流速时电机温升与冷却液体流速及流速与水管进出口压降的关系曲线分别如图11和图12所示。

由图11和图12可以看出，随着进口水流速的增加，发电机的最高温度下降得十分缓慢，基本维持在95.9℃，计算表明水冷效果已经达到了极限水平，再增加入口水流速也不能明显降低电机温度。且随着水流速的增加，水管压降明显增加。所以，盲目增加水流速不但起不到理想的冷却效果，反而会增加不必要的成本。

图5 温度场云图

图6 水管截面温度场云图

图7 流速为0.3m/s电机温升分布图

图8 流速为1.0m/s电机温升分布图

图9 流速为3.0m/s电机温升分布图

图10 流速为5.0m/s电机温升分布图

图11 主截面最高温度随流速变化曲线

图12 水管压降随流速变化曲线

4 结论

本文通过电机传热的基本原理，计算了定子绕组损耗、铁心损耗以及永磁体涡流损耗。以一台10MW永磁同步发电机为例，给出了水冷电机的模型，基于流固耦合进行温度场分析，得到以下结论：

1）基于流体场和温度场耦合分析可以较为准确地估计电机温升，为电机的设计提供依据。

2）定转子之间的空气层热阻较大，所以此处温度梯度很大，最高温度部分出现在绕组和定子的顶部。此外定子由于水冷的作用出现了明显的温度下降，验证了水冷方式是大型电机的有效冷却方案。

3）随着入口水流速增加，最高温度继续降低的趋势逐渐变缓，但水管的压降明显增加，所以在设计时要考虑经济性。

4）基于流固耦合对一台10MW外转子永磁电机进行分析计算，分析得出当冷却流速控制在1m/s时，即可满足电机温升要求；计算证明外转子结构永磁风力发电机采用定子水冷能够满足大容量电机温升安全运行的要求。

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Heat transfer analysis of permanent magnet direct drive wind generator based on fluid-solid coupling

XING Junqiang WANG Mingwu KONG Yingying

(Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110000)

Offshore wind power is regarded as an important part of the future large-scale renewable power generation portfolio, and offshore wind power is the main development direction of the future wind power industry. The high power generator has a high requirement on the unit heat dissipation, so the temperature field analysis of the generator can be a good guide for the design of the generator cooling system. Compared with the natural air-cooled generator, the forced water-cooled generator has the advantages of better heat dissipation, less noise and longer service life. In this paper, an external rotor permanent magnet direct drive wind generator is taken as the research object. Based on the analysis method of fluid-solid coupling and conjugate heat transfer, the temperature field of thegenerator under normal operation is analyzed by using ANSYS software, so as to obtain the temperature distribution of the main components in the generator. Finally, through the fluid structure coupling analysis of a 10MW external rotor generator, the temperature rise distribution of generator under different cooling water flow rates is compared and calculated, and the relationship curve between cooling fluid flow rate and generator temperature rise is obtained, which provides reference for generator cooling design.

permanent magnet direct-drive wind generator; heat transfer analysis; fluid-solid coupling

2020-06-18

2020-07-24

邢军强（1979—），男，博士，副教授，研究生导师，主要从事高电压绝缘及永磁直驱电机设计研究工作。