大功率异步风力发电机散热性能分析与优化

龙英睿　邹强龙　张冬妮　徐瑞

摘   要： 风力发电机散热性能好坏对器件寿命和设备运行可靠性具有重大影响。以某4 MW～5 MW功率等级的大功率异步风力发电机为研究对象，建立全过程运行周期模型，通过数值方法获得稳态温度场。仿真结果表明：发电机温度在周向上存在差异，线圈下部温度显著高于上部。对仿真结果进行分析，表明原始定子外侧框架、发电机系统结构使得下部冷却风流动阻力比上部大，冷却风量相對较少。据此，提出增加冷却通道数、优化通风道宽度、调整通风沟角度的改进方案。优化后，定子线圈最高温升降低10 K，体积平均温度温升降低3 K。

关键词： 风力发电机;散热性能;温度场;全过程运行周期模型;定子

中图分类号：TM315    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 04-107-05

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.020

引言

风能是一种无污染和可再生的清洁能源，越来越多的社会力量正将精力投入到风能的开发上[1]。同时风力发电机单机容量也在不断提高，电磁负荷与损耗增加，使得电机散热功率增加[2]。若不能及时散去这部分功耗，将导致电机温度上升，严重影响器件寿命和运行可靠性，甚至可能导致整个设备损坏。因此，合理设计风力发电机的冷却通道，及时带走电机工作产生的热量，对电机温度进行控制，成为电机前期研发的重要工作之一。

目前国内对风力发电机的温度场研究较多，其中魏静微等[3]为2 MW功率等级的风力发电机建立了1/12周期模型，对模型进行了三维稳态温度场的分析和研究，指出了电机局部温度过高的问题并提出了改善措施。丁树业等[4]以高海拔用双馈风力发电机为研究对象，建立了1/8周期模型，得到了流场和温度场相耦合的求解模型，通过求解分析、试验数据对比，为发电机在高海拔地区安全运行和设计提供了理论依据。

本文对4 MW～5 MW功率等级的大功率异步风力发电机的温度场进行分析。首先建立全过程运行周期模型;然后通过数值方法研究发电机轴向和周向的温度场;最后提出散热优化方案，为风力发电机改进设计提供参考。

1  计算模型建立

1.1  数学模型

根据传热学理论[5-6]，在笛卡尔坐标系下，稳态运行状态求解域内温度场基本方程及其边界条件满足

（1）

其中，

T为物体的温度，℃;

λx、λy、λz分别为求解域内各材料沿x、y、z方向的导热系数，W/（m·k）;

qv为求解域内各热源体密度之和，W/m3 ;

α为散热面的散热系数，W/（m2·k）;

Tf为散热面周围介质的温度，℃;

s1和s2分别为绝热面和散热面。

1.2  物理模型

以额定功率为4 MW～5 MW的大功率异步风力发电机为分析对象，其物理模型如图1所示，由风扇、换热器和发电机本体三部分组成。其中风扇提供外部冷却空气，冷却空气经换热器与内部高温空气换热并带走热量，降低内部空气的温度。

冷热流体分为两股，如图2所示。其中深色箭头代表热流体流动路径，浅色箭头代表冷流体流动路径，具体如下：

（1）冷流体从鼓风机流入，从管子内部流出;

（2）热流体从电机两端流入，在径向风扇的作用下，流过电机内部带走电机热量，热流体往上流动通过换热器，与管子内部的冷流体进行换热，然后从换热器两端穿过，回到电机两端，形成循环。

考虑到电机系统模型的复杂性，为了提高计算速度，这里将电机系统模型拆分成两部分：第一部分包括风扇及冷却管路，用于计算冷却流量;第二部分去掉了风扇，计算时给定冷却空气流量，代替风扇。

1.3  仿真模型

从电机系统结构中提取换热器及冷却通道模型结构，如图3所示。

模型包括转子、定子和换热器三部分，其中转子和定子的个别组件结构细节特征较小，不利于网格划分。为考虑计算收敛性，对模型进行了简化处理，尽量减少对流场和温度场的影响，转子、定子简化模型如图4所示。

1.4  网格划分

换热器计算域采用非结构化网格，划分结果如图5所示，总网格量4 800万。

定子和转子网格划分采用非结构化网格，面网格以四边形为主，划分结果如图6所示。

2  仿真结果讨论

2.1  参数输入

发电机各部分材料物性输入如表1所示。

2.2  风力发电机出口流量

风力发电机出口流量随迭代时间步的变化曲线如图7所示。可以看出，出口流量变化越来越小，可认为结果收敛，此时出口流量为7.29 m3/s。

2.3  电机温度分布

对原始冷却通道模型和优化冷却通道模型进行了分析，图8的发电机径向截面温度分布给出了原始冷却通道模型发电机线圈最高温度发生位置。可以看出，在周向上，高温发生在线圈下部。主要原因分析如下：

（1）与定子外侧框架有关。框架形成阻挡，不利于部分冷却通道内的气流流动，导致线圈温度升高;

（2）与发电机系统结构有关。在周向上，上端离换热器近，气流经线圈后可直接流入到换热器内，流动路径短、阻力小;下端离换热器远，气流流过定子线圈后在发电机底部形成紊流，需要消耗较多动力，因此往下的气流速度小于往上的气流，导致发电机下部的温度偏高。

2.4  改進优化

通过对原始冷却通道进行优化设计，即增加冷却通道数、优化通风道宽度、调整通风沟角度降低周向上定子线圈最高温度和平均温度。根据计算结果，优化冷却通道后，模型的定子线圈最高温升降低10 K，体积平均温度温升降低3 K。因此，优化发电机的冷却通道与形状可以明显降低发电机的最高温度。为了验证仿真结果的准确性，对风力发电机进行了温升测试，测试工况及监测点数据与仿真保持一致。

3  结束语

本文对大功率异步风力发电机的温度场进行了分析，通过数值方法获得了冷却通道模型的温度分布，发现了高温产生的根源。发电机定子线圈在周向上的温度不可避免地存在差异，降低发电机底部的流阻有利于提升发电机周向温度的均衡性。据此，通过增加冷却通道数、优化通风道宽度、调整通风沟角度，使得定子线圈最高温升降低10 K，体积平均温度温升降低3 K，达到了散热目的。

参考文献

[1] 程明， 张运乾， 张建忠. 风力发电机发展现状及研究进展[J]. 电力科学与技术学报， 2009， 24（3）： 2-9.

[2] 何伟， 田德， 邓英， 等. 风力发电机组旋转湍流风场数值模拟[J]. 中国电机工程学报， 2013， 33（11）： 82-87， 14.

[3] 魏静微， 黄全全， 谭勇， 等. 2 MW空冷风力发电机热性能分析及改善[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2016， 21（6）： 79-83.

[4] 丁树业， 葛云中， 孙兆琼， 等. 高海拔用风力发电机流体场与温度场的计算分析[J]. 中国电机工程学报， 2012， 32（24）： 74-79， 13.

[5] 张福成. 基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2012.

[6] 丁树业， 孙兆琼. 永磁风力发电机流场与温度场耦合分析[J]. 电工技术学报， 2012， 27（11）： 118-124.

作者简介：

龙英睿（1982—），通信作者，女，汉族，湖南长沙人，硕士研究生，高级工程师，在江苏中车电机有限公司从事电机设计工作。

E-mail： 28223155@qq.com

（收稿日期：2020-06-30）

Analysis and Optimization of Thermal Performance for High-Power Asynchronous Wind Turbine

LONG Ying-rui1， ZOU Qiang-long1， ZHANG Dong-ni1， XU Rui2

（1. Jiangsu CRRC Electric Co.， Ltd， Zhuzhou 412001， China;

2. Yi Duo Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201108， China）

Abstract： The thermal performance of wind turbine has a significant impact on device life and equipment operation reliability. Taking a 4 MW～5 MW high-power asynchronous wind turbine as the research object， the whole period model is established， and the steady-state temperature field is obtained by numerical method. The simulation results show that there are differences in the generator temperature around the circumferential direction， and the temperature in the lower part of the coil is significantly higher than that in the upper part. The simulation results show that the original stator outer frame and generator system structure make the lower cooling air flow resistance larger than the upper part， and the cooling air volume is relatively less. Based on this， the improvement scheme of increasing the number of cooling channels， optimizing the width of ventilation channel and adjusting the angle of ventilation channel are put forward. After the optimization， the maximum temperature rise of stator coil is reduced by 10 K， and the average temperature rise of volume is reduced by 3 K.

Key words： Wind Turbine; Thermal Performance; Temperature Field; Whole Period Model; Stator