双馈风力发电机温度场与环境温度相关性研究

马铁强，闫 闯，林耀坤，孙传宗，单光坤，陈 涛

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前言

大功率双馈风力发电机的发电性能及可靠性直接影响风力发电机组的运行和安全。随着风力发电机组容量的提高，发电机在运行过程中所产生的热载荷随之上升。热载荷的积累将导致发电机的各个部件的温度升高，对发电机的正常运行造成影响并降低发电效率。温度过高还会损坏绕组绝缘层引起股间短路，严重时会烧毁定子及发电机[1]。

目前很多学者对发电机的发热情况及温度场进行了研究，如文献[2]建立了双馈风力发电机二维有限元分析模型，分析了风力发电机运行时的电磁场分布状况及匝间短路时的温度场。文献[3]对转子内冷却介质和固体部件的温度场进行数值求解，研究了汽轮发电机转子温度分布情况。文献[4]依据传热理论对300 MW量级蒸发冷却汽轮发电机的定子温度场进行了数值计算，得出了温度分布规律。

这些研究通常只是针对发电机的定子铁芯、转子铁芯、定子绕组及转子绕组等主要发热元件展开，亦或是对冷却介质或绝缘材料的热性能进行分析。这些研究忽略了散热系统的整体性和连续性，及散热环境在散热过程中起到的重要作用。所以系统的对双馈风力发电机的内部发热情况及其与散热环境的相关性研究是十分必要的。

本文以一台典型大功率风冷式双馈风力发电机作为研究对象，依据计算流体力学及传热学理论，对发电机内部流场及主要发热元件温度场进行研究。利用研究得出的发电机仿真基本假设及边界条件，采用有限元方法对发电机的流场和温度场进行数值仿真。得出了发电机稳定工作状态下的冷却空气流动状态以及各重要部件的温度分布，并确定出温度场的最高温度值及位置。最后通过对机舱环境温度与电机内部发热元件温度相关性的研究，得出了两者对应的线性函数关系。工程监控数据表明了该方法的正确性，对发电机的进一步优化设计具有指导意义。

1 双馈风力发电机发热原理及冷却结构

1.1 双馈风力发电机发热原理

发电机产生的热量主要原因有：当三相交流电流经电机的转子和定子时，会在发电机的转子和定子之中产生相应的铜损和铁损，此外由于气体流经发电机气隙时也会产生摩擦损耗，转动部件的转动也会产生相应的摩擦损耗。这些损耗将使发电机产生热量[5]。

1.2 双馈风力发电机冷却结构

图1 发电机通风结构

该双馈风力发电机采用单循环风路，内部结构主要由定子、转子、滑环和机座等部件组成。为了增强发电机内部的散热性能，发电机内部装有离心式风扇，并在定子的叠片结构上设置了径向通风道。冷却气流流经定子及转子端部，一部分进入气隙，另一部分进入转子轴向通风道。在此过程中冷却气流将通过转子轴向及径向的通风道，另一部分气体进入定子的径向通风道，通过定子的背部通风道排出。

2 发电机内部流体仿真分析

发电机内多物理场彼此相互影响和约束，存在耦合关系。发电机内各发热元件温度场除了受到材料特性和结构影响外，还与所处冷却环境有关。若要准确研究发电机内部温度场，则要考虑流场对温度场的影响。同时，发电机内部发热元件多且结构及发热状态各异，当冷却气体流经不同位置时其温度、流速及压强等冷却参数有很大差异，因此分析发电机内的流场及冷却气体的流动特性是十分必要的。

2.1 建立发电机仿真模型

首先建立定子和转子的实体模型，简化处理方法如下：

(1)将定转子绕组铁芯由多层铜线叠加简化为整体的单一均质铜材，并将绝缘层包裹在外侧。

(2)建模时只考虑牙槽内的绕组，忽略裸露在牙槽之外的绕组。

(3)仿真中将轴流风扇等效处理成边界条件。

图2 发电机模型

依据建立的定子和转子的实体模型，再依据现有的发电机模型建立用于流场仿真的流体模型。在建立流体模型的过程中，去除对发电机流场无重大影响的轴承、滑环及机座等零部件。

图3 发电机内流体模型

2.2 仿真分析假设

(1)空气出口采用压力出口边界条件，均为标准大气压，参照工程数据在仿真中设为3.18 m/s。

(2)流体与固体相接触的边界均视为无滑移边界。

(3)发电机内流体的流速远小于声速，故将冷却气体视为不可压缩流体。

(4)假设模型为完全湍流，分子的粘性可以忽略，故采用标准k-ε模型。

2.3 发电机流场分析

图4 流场温度分布及速度矢量仿真结果图

仿真结果表明，转子轴向通风道的风速较高，发电机气隙和定子及转子铁芯的径向通风道风速较低。原因是发电机气隙和铁芯径向通风道入口处的过流面积微小，造成气隙和定转子铁芯径向通风沟入口处的风阻较大。在冷却过程中，冷却空气从入口处进入，并在转子的旋转作用下提高了压力和速度，冷却空气在流动过程中又将动能转化为静压能，随着空气压力的提高，静压能又逐渐转化为动能驱动冷却空气在发电机的气隙及定转子铁芯径向通风道内流动，完成对发电机的冷却。

3 发电机温度场分析

本文主要讨论发电机发热和散热达到平衡时的温度场，对此时的双馈发电机温度场进行仿真分析。由于发电机发热部件众多，所以在对其分析时进行了适当的简化。

3.1 仿真分析假设

为了合理简化求解，温度场仿真分析的基本假设及边界条件如下：

(1)发电机中绝大多数热量由转子铁芯、定子铁芯、转子绕组及定子绕组产生，所以不考虑轴承损耗对发电机温度场的影响。

(2)对绕组的分析只考虑在齿槽内绕组所产生的热量，忽略超出齿槽外绕组所产生的热量。

(3)发电机设计最高温度温度在125℃以内，忽略热辐射所产生的影响，热量传递过程主要是通过热传导和热对流。

(4)流体除出口及入口边界条件外，其余与固体的接触面均视为无滑移边界。

3.2 确定双馈风力发电机温度场仿真分析的边界条件

3.2.1 发电机气隙表面传热系数

发电机气隙内的空气同时受到定子内表面的阻碍和转子旋转的扰动影响，空气的切向速度呈双曲线型。可根据经验公式得出气隙表面的传热系数为

(1)

式中，αδ为气隙表面的传热系数；vδ为气隙内的平均风速vδ≈ω/2，其中ω是转子圆周速度。

3.2.2定子绕组端部表面导热系数

定子绕组端部既与槽部发生热交换，还通过端部周围的空气散热，导热系数计算为

(2)

式中，u2为圆周速度。

3.2.3 发电机铜损及铁损的计算

双馈发电机温度场仿真计算，主要考虑绕组、定子及转子的铜损耗及铁损耗。

铜损耗计算方法依据“焦耳-楞次”定律，由于绕组数量多，其公式为

(3)

式中，I为相绕组的有效电流；R为相绕组电阻。

铁损耗的计算公式为

PFe=KαpFeGFe

(4)

式中，Kα为发电机中的磁密分布不均，电机损耗增加的系数；pFe为单位质量产生的铁损值；GFe为铁芯含铁量净值。

发电机绕组的生热率指发电机单位体积在单位时间内所产生的热量，由铜损耗和铁损耗两部分组成，可表示为

Wq=pCu+pFe

(5)

则发电机绕组的生热率可表示为

Qd=Wq/V

(6)

式中，Wq为发电机热损耗；V为绕组体积；Qd为绕组生热率。

3.3 双馈风力发电机温度场分析

依据上述方法，以某型号双馈风力发电机为例，可得到发电机在环境温度及冷却气体温度为37℃时内部各发热部件的温度场分布云图。图5为电机整体的温度场分布云图，图6为电机定子铁芯、转子铁芯、定子绕组及转子绕组的温度场分布云图。

图5 发电机温度场云图

图6 定子、转子、定子绕组及转子绕组温度场云图

由于发电机中铁芯与绕组温度分布不均，在绕组与铁芯牙槽接触处绕组和铁芯的温度十分接近，这些位置点在分析时具有特殊性，取平均温度进行分析。仿真数据表明，与双馈风力发电机其他结构相比，定子绕组和定子铁芯的温度较高，其平均值分别为69.918 5 ℃和67.858 8 ℃。转子绕组和转子铁芯的温度相对较低，平均温度值分别58.039 79 ℃和56.247 9 ℃。定子铁芯平均温度仿真结果与工程监测数据相比低3.6%，原因是发电机内部绝缘层老化导致电机内部绕组热阻增加，散热性能下降导致。仿真温度与实际监测温度误差较小，说明仿真方法正确有效。

此外定子铁芯牙槽和转子铁芯牙槽处温度相对较高，原因是由于此处存在间隙且为了更好的绝缘和固定绕组，在绕组和牙槽之间存在间隙和绝缘材料，使得导热系数较低，降低了散热效果。图6b中定转子铁芯远离进气口位置温度较高，原因是冷却空气进入转子铁芯径向通风沟后，在离心力作用下流入气隙，故离冷却空气进风口位置越远的转子径向通风沟内部空气的流动量越少，此外随着冷却气体流经发电机内部，冷却气体温度也随之上升，导致冷却气体的冷却能力变差，导致转子铁芯原理进气口处的位置温度较高。同理，从气隙流入定子径向通风沟的冷却空气亦受冷却空气进风口位置距离的影响，也会导致铁芯远离进风口处位置温度较高。

图7 电机内整体温度场分布

4 发电机温度场与机舱环境温度相关性分析

风力发电机组进入稳定运行状态时，发电机的工作状态也进入稳定状态。但此时机舱受到发电机、齿轮箱、变频柜及外源温度载荷的积聚作用影响，机舱内部温度相应升高，环境温度逐渐成为发电机散热的关键影响因素。发电机在正常工况下发电机的发热量及冷却情况，上文已经充分研究。此处以机舱内部环境温度变化为主要研究对象，分析发电机的温度场变化情况。

4.1 仿真分析假设及边界条件

为了合理简化求解，本文给出基本假设与边界条件：

(1)根据机组所处地理位置及机组内部运行状态，将研究温度范围定在27℃至47℃之间，其对发电机内部绕组温度影响范围低于发电机绕组设计极限温度及环境要求温度；

(2)由于温度变化范围有限，且电机内部绕组及铁芯生热率主要与其运行状态及工况参数有关，而受温度变化影响较小，所以忽略电机内部绕组及铁芯的发热率受温度变化的影响；

(3)机舱环境温度的变化，主要影响冷却气体温度及发电机流场边界温度；

(4)研究发电机温度变化时，在电机各主要发热元件上选取能够代表整体温度变化的等距监测点进行研究。

(5)发电机其余边界条件与算例中的状态相同。

4.2 仿真结果及对比分析

通过仿真分析得到27℃及47℃两个极限温度下发电机各部位温度分布情况，得出发电机内部各发热部件的温度场分布及前后对比。

图8 环境温度为27℃时发电机各监测点温度

图9 环境温度为47℃时发电机各监测点温度

此处研究温度最高的定子绕组，当环境温度及冷却气体温度为27℃时最高温度和平均温度均为最高，分别为68.583℃和65.623℃，最大温升和平均温升也是最高。当环境温度及冷却气体温度为47℃时其温度场仿真结果最高温度和平均温度分别为77.661℃和74.892℃。为了更加细致地分析发热元件温度与机舱环境温度的关系，列出5种不同环境温度进行对比分析，此处取温度最高的定子绕组仿真分析结果为例，如图10所示。

图10 环境温度不同时定子监测点温度对比

由图10可知，在不同环境温度情况下定子绕组空间温度分布趋势基本一致，在温度上呈上升趋势，将10种环境温度下，定子、定子绕组、转子及转子绕组的温度最高值进行分析，得到图11所示发热元件温度值拟合图。

图11 不同环境温度下各发热元件的温度值拟合图

依据分析可知，最终可得到四条拟合出来的线性函数直线，图11中(a)～(d)分别为定子绕组、定子铁芯、转子绕组及转子铁芯的温度最高值在不同机舱环境温度条件的温度值拟合函数。分析其线性函数关系可知，环境温度每增加1℃时，发电机各发热元件最高点温度值大约分别增加0.501 05 ℃、0.522 82 ℃、0.472 58 ℃及0.498 21 ℃，由分析数据可知机舱散热环境温度对电机内部发热元件温升有显著影响，且对定子的影响更加显著，其原因主要是由于定子的散热，一方面依靠冷却空气进行冷却，另一方面将自身产生的热载荷传导至电机外壳进行冷却。机舱环境温度的升高，降低了冷却空气的冷却能力，同时也使得电机表面温度上升，阻碍了定子内热载荷向电机外壳的传导。

5 结束语

本文研究了某大功率双馈风力发电机内部流场、温度场及其与环境温度关系，并通过实例仿真分析结果得到结论。

(1) 通过计算分析发电机内部的流场，得到了发电机内部流场的速度及压力分布，求得了温度场仿真所需速度参数。

(2) 由发电机内部的温度场仿真计算分析结果，得到了温度场内部各个关键元器件的温度场分布，通过仿真分析解决了电机内部温度场难以监测的难题。

(3) 通过分析发电机内部温度与机舱散热环境温度的变化关系，根据计算仿真结果得出了温度变化规律。并可以通过其对电机温升进行分析和预测，进而有效的通过环境温度变化对发电机内部温度场进行预测。