变速恒压混合励磁风力发电机的热分析

　　摘要：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100kW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。

　　关键词：混合励磁,风力发电机,温度场,热分析

　　0引言

　　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[1]。

　　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[2]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11K。

　　哈尔滨理工大学丁树业等[3]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[4]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[5]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[6]对不同冷却方案下1.12MW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[7]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[11]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[12]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[13]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5K。英国牛津大学R.Camilleri等[14]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13K。

　　英国爱丁堡大学Y.C.Chong等[15]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[16]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[17]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100kW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。

　　1混合励磁风力发电机结构和参数

　　100kW变速恒压混合励磁风力发电机的整体结构，发电机的稳压转速范围为75~120r/min。发电机定子铁心和转子磁极沿轴向分成两段，两段定子铁心和转子磁极由定子背轭和转子背轭在机械结构和磁路结构上实现连接，定子背轭和转子背轭由具有良好导磁性能的纯铁制成;励磁绕组放置在两段定子铁心中间位置的背轭上;转子磁极由永磁体磁极和铁磁极组成，二者交错排列;定子电枢绕组为常规三相对称绕组。

　　该混合励磁风力发电机内的励磁磁场由永磁体和励磁绕组共同建立。根据永磁体励磁磁场和电励磁磁场的作用机理，该发电机存在三种运行状态，分别为：①永磁体单独励磁;②永磁体和电励磁二者共同励磁，电励磁起增磁作用;③永磁体和电励磁二者共同作用，电励磁起去磁作用[18]。在风力发电系统中，风速变化大，要求发电机在宽速度范围内电压输出恒定。当发电机低速运行时，通过调节电励磁使其产生增磁磁场;当发电机高速运行时，通过调节电励磁使其产生去磁磁场，从而可以实现发电机在一定转速范围内实现稳压输出。

　　2发电机求解模型

　　2.1物理模型

　　在对混合励磁风力发电机温度场进行求解时，做出如下假设：1)发电机沿圆周方向的温度分布对称。2)发电机在圆周方向的冷却条件相同。3)忽略定子槽部绕组的趋肤效应。4)发电机杂散损耗集中于定子齿部、转子极靴和永磁体。5)将电枢绕组和励磁绕组的股线绝缘、层间绝缘、主绝缘以及槽内空气等效为一个绝缘实体，绝缘实体采用等效的导热系数。基于上述基本假设，结合混合励磁风力发电机的结构特点和传热散热特性，取电机轴向长度的1/2和圆周方向的1/5(单元电机)作为电机温度场计算的求解域。

　　3发电机温升计算

　　3.1发电机的冷却条件和散热系数确定

　　变速恒压混合励磁风力发电机采用自然风冷，运行环境风速直接影响发电机的散热，进而影响发电机的温升。

　　3.2发电机热源确定

　　不同运行状态下混合励磁风力发电机的各部件产生的损耗不同。其中，杂散损耗取为发电机功率的0.5%，杂散损耗分布在电机定子齿和转子极靴中。

　　3.3发电机温升计算结果

　　根据上述确定的混合励磁风力发电机的散热边界条件和热源，采用ANSYS软件对发电机进行热计算，环境温度为30℃。

　　通过分析可以得出，最大增磁状态下发电机的电枢绕组温升较低，最高温升位于励磁绕组，最高温升为52.9K。这是由于此时发电机输出功率小，电枢绕组铜耗较小，励磁绕组铜耗较大。额定运行时发电机的最高温升位于电枢绕组，最高温升为52.2K，励磁绕组温升较低。这是由于此时发电机输出功率大，电枢绕组铜耗大，而电励磁电流较小，励磁绕组铜耗较小。

　　最大去磁状态下发电机的整体温升较高，最高温升位于励磁绕组，最高温升为69.8K。这是由于此时发电机的转速较高、频率较高、铁耗较大，发电机的输出功率大，电枢绕组铜耗较大，励磁绕组铜耗较大。

　　4发电机温升实验

　　本文根据100kW混合励磁风力发电机所设计方案进行了样机制造。直流电动机作为原动机连接减速齿轮箱拖动发电机样机，发电机在额定状态下运行，利用冷却风机对发电机进行冷却。为了对发电机主要部件的温升进行测试，在样机的励磁绕组中预埋1个PT100温度传感器，电枢绕组预埋6个PT100温度传感器。

　　对样机进行热实验，原动机连接减速齿轮箱拖动样机旋转，样机工作在额定运行条件下，冷却风机对样机进行冷却。在样机热实验过程中，实测发电机中部风速为10m/s，每隔15min记录各温度传感器的温度和环境温度，当30min内发电机温差小于1K时，认为发电机的温升达到稳定状态。

　　5电励磁电流零点设计对发电机励磁绕

　　组铜耗和温升的影响通过控制混合励磁风力发电机电励磁电流方向和大小可以调节发电机内部励磁磁场，电励磁磁场可以起增磁作用，也可以起去磁作用。当混合励磁风力发电机的电励磁电流为零(Ie=0)时，发电机内的励磁磁场由永磁体单独提供。混合励磁风力发电机的电励磁电流零点可以设计在发电机任意工作转速范围内。电励磁电流零点的选取直接影响混合励磁风力发电机不同运行状态下的励磁绕组铜耗，进而影响发电机的温升分布。

　　在发电机设计时，应考虑发电机整体温度分布情况，避免出现局部过热点。本文分析电励磁电流零点的选取对混合励磁风力发电机励磁绕组铜耗和温升的影响。

　　6结论

　　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。

　　参考文献

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　　[2]李立毅,张江鹏,闫海媛,等.高功率密度电机三维温度场计算及导热优化研究[J].中国电机工程学报,2016,36(13):3642-3650.LiLiyi,ZhangJiangpeng,YanHaiyuan,etal.Studyontheoptimizationofthermalconductivityand3Dtemperaturefiledcalculationforthehighpowerdensitymotor[J].ProceedingsoftheCSEE,2016,36(13):3642-3650.

　　[3]丁树业,郭保成,冯海军,等.变频控制下永磁同步电机温度场分析[J].中国电机工程学报,2014,34(9):1368-1375.DingShuye,GuoBaocheng,FengHaijun,etal.Temperaturefieldinvestigationofpermanentmagnetsynchronousmotorscontrolledbythefrequencyconversioncontrolsystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2014,34(9):1368-1375.

　　[4]王晓远,杜静娟.应用CFD流固耦合热分析车用高功率密度电机的水冷系统[J].电工技术学报,2015,30(9):30-38.

　　相关刊物推荐：《中国电机工程学报》(旬刊)是中国电力行业的一流学术期刊，国家一级学报，全国中文核心期刊，国内外公开发行。1964年创刊，中国科协主管，中国电机工程学会主办，中国电科院协办。主要报道电力系统及其自动化、发电及动力工程、电工电机领域的新理论、新方法、新技术、新成果。在动力与电力工程类期刊中，其总被引频次及影响因子等各项指标连续多年来位列第一。

　　

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