散熱筋形式的風(fēng)力發(fā)電機溫升計算

張海鳳，王步瑤，楊國偉，郭燈塔，李素平

（湘潭電機 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室， 湖南湘潭 411101）

0 引言

隨著全球風(fēng)力發(fā)電的持續(xù)升溫，中國的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)得到了快速發(fā)展。目前風(fēng)力發(fā)電機仍然面臨著許多亟待解決的問題，其中，電機散熱方式，就是其中一項重要課題。加強冷卻可以提高電磁負荷，減少發(fā)電機的體積，降低成本[1]。

風(fēng)力發(fā)電機的散熱方式為：外殼散熱筋的散熱方式結(jié)合內(nèi)通風(fēng)的散熱方式。就外殼散熱筋的散熱方式而言，與傳統(tǒng)緊湊型電機的散熱方式和結(jié)構(gòu)有著不同之處。其一，不同于以往的整體鑄鋼翅片，風(fēng)力發(fā)電機多采用鋁翅片，與機座裝配的方式。其二，傳統(tǒng)的風(fēng)機在翅片區(qū)域鼓風(fēng)，其特點是風(fēng)速隨電機轉(zhuǎn)速的不同而變化，也隨電機軸向的位置而變化。風(fēng)電的吹風(fēng)方式為大空間的空氣外掠方式，翅片散熱的風(fēng)速取決于外部環(huán)境空氣的流速，且在電機軸向速度變化不大。

風(fēng)力發(fā)電機的另一個特點是轉(zhuǎn)速很低。對于永磁發(fā)電機而言：損耗以定子的銅耗為主，占到90%以上，機械耗和轉(zhuǎn)子的損耗則占的比例極小，占到個位數(shù)的百分比，甚至不到1%。這樣風(fēng)電電機內(nèi)部區(qū)域的發(fā)熱情況與一般電機呈現(xiàn)很大的差異。此外，常規(guī)電機轉(zhuǎn)子的高轉(zhuǎn)速使得電機內(nèi)部的空氣擾動換熱占到一定的比例，而風(fēng)電電機的低轉(zhuǎn)速使得空氣擾動對流換熱比例明顯下降。對于電勵磁發(fā)電機而言，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱又比一般電機的發(fā)熱大。因此，由于風(fēng)電電機內(nèi)部發(fā)熱區(qū)域的重大變化以及散熱方式的明顯改變，使得在溫升計算方面與以往常規(guī)電機有很大的不同。

此外，風(fēng)力發(fā)電機一般在室外布置，也有在高海拔布置的案例，這些情況都對散熱構(gòu)成重要影響。

室外布置要考慮太陽輻射。以往常規(guī)產(chǎn)品一般室內(nèi)布置而未考慮太陽輻射導(dǎo)致的外殼升溫，而風(fēng)電電機由于室外的布置而須予以考慮。

對于高海拔區(qū)域，空氣密度較低，相同風(fēng)速下散熱能力下降。因此散熱計算中要考慮空氣密度的變化。

1 計算方法

1.1 殼體散熱的計算

以流體外掠物體的換熱作為基本的換熱計算模型[2]，結(jié)合考慮不同的翅高、翅間隙所產(chǎn)生翅片間的流體流速的變化，進行殼體壁面溫度和散熱的計算。殼體壁面溫度，沿軸向會有所變化，但對于流體外掠物體的換熱這種情況，在與定子接觸的中間區(qū)域，與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)方式相比，變化幅度會小很多，故殼體中間區(qū)域以平均壁溫作為計算參數(shù)。殼體兩端不計算壁溫。翅片表面的溫度沿徑向和軸向都會有所變化，通過計算翅片效率來考慮這種影響。

1.2 無內(nèi)通風(fēng)的電機內(nèi)部散熱計算

電機內(nèi)部散熱以導(dǎo)熱方式為主。通過計算繞組的絕緣層導(dǎo)熱熱阻、線圈槽熱阻、硅鋼片導(dǎo)熱熱阻、定子與殼體的接觸熱阻來計算導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的總熱阻，從而計算導(dǎo)熱熱量。定子繞組的伸出端對壁面有一定的輻射散熱量，以物體向大空間的輻射散熱作為計算模型，計算散熱量。兩種換熱的等效線路為并聯(lián)方式。

1.3 有內(nèi)通風(fēng)的電機內(nèi)部散熱計算

電機內(nèi)部也是以導(dǎo)熱方式散熱為主。導(dǎo)熱熱阻的計算方法與上節(jié)相同。除了伸出端繞組的輻射散熱仍要考慮外，內(nèi)部空氣的對流換熱[3]要作為重點考慮。內(nèi)部空氣的流動會帶走一部分端繞組的熱量，也會通過氣隙中的流動帶走定子繞組的部分熱量、帶走轉(zhuǎn)子繞組的幾乎所有熱量，通過定子通風(fēng)口的流動還會帶走部分定子的鐵耗。這種散熱方式的等效線路非常復(fù)雜，必須通過溫度迭代進行計算。

1.4 高海拔帶來的空氣密度的考慮

高海拔使得空氣密度降低，電機溫升升高。本軟件所采用的換熱計算式中，都有空氣密度的參數(shù)，以此只要在輸入界面中給出空氣密度的輸入框，即可考慮空氣密度變化的影響。如果只知道電機所處的海拔高度，則程序會自動計算出所處海拔高度的空氣密度。

1.5 太陽輻射

太陽輻射會提高殼體壁面溫度，增加電機溫升，必須予以考慮。太陽輻射的強度在不同的地區(qū)、不同的時刻、不同的輻射角度都會變化。本軟件中，給出了不同地區(qū)的選擇框，選定某個地區(qū)，自動會跳出這個地區(qū)在一天最熱時間段的不同輻射角度的平均輻射強度。用戶也可自行輸入該數(shù)值。知道了輻射強度后，乘以電機外殼表面積即為電機吸收的熱量，將這一熱量并入電機的發(fā)熱量進行電機外殼壁面溫度和電機溫升的計算。

2 熱力計算模型

2.1 等效結(jié)構(gòu)圖

2.2 有內(nèi)風(fēng)的熱力計算模型

電機內(nèi)部的熱量[4]主要由定子和轉(zhuǎn)子的損耗、機械耗和雜耗產(chǎn)生。認為定子的散熱主要是通過定子向機殼導(dǎo)熱完成的，轉(zhuǎn)子的散熱一部分通過轉(zhuǎn)子內(nèi)部的通風(fēng)道帶走，另有一部分通過轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙，以對流換熱的形式傳給定子，再由定子傳遞給機殼。機械耗和定子端部則主要通過電機內(nèi)部的空氣攜帶給壁面。其中定子和轉(zhuǎn)子的散熱好壞對繞組溫升起主導(dǎo)作用。

定子的外徑和內(nèi)徑不變，等效的硅鋼片區(qū)域面積等于原硅鋼片面積；等效的絕緣層厚度等于原絕緣層厚度；剩下的區(qū)域為繞組區(qū)域，整個繞組區(qū)域溫度相同，等于繞組溫度。定子的散熱為繞組區(qū)域的發(fā)熱（銅耗）和硅鋼片的發(fā)熱（鐵耗），散熱的計算為圓柱坐標(biāo)下的有內(nèi)熱源的二維導(dǎo)熱問題。

忽略鐵耗，認為轉(zhuǎn)子損耗全部是銅耗。轉(zhuǎn)子銅耗的發(fā)熱區(qū)域簡化為一條環(huán)形帶(等效銅耗發(fā)熱區(qū)域)。同樣，轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔也簡化為一條環(huán)形帶（等效通風(fēng)區(qū)域），該環(huán)形帶的空氣流通面積與換熱面積保持與原通風(fēng)孔相同，環(huán)形帶傳熱與流阻計算的當(dāng)量直徑保持與原通風(fēng)孔相同。等效的硅鋼片區(qū)域面積等于原硅鋼片面積，剩下的區(qū)域為繞組區(qū)域，整個繞組區(qū)域溫度相同。散熱的計算為圓柱坐標(biāo)下的二維導(dǎo)熱及對流問題。機殼外的熱力計算可算出壁面溫度Tb。

定子散熱量Q1與繞組溫度Tr和壁面溫度Tb、熱傳導(dǎo)熱阻R的關(guān)系為：

由此計可算出繞組溫度Tr。（此為簡單說明式，實際為有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，硅鋼片的發(fā)熱作為內(nèi)熱源）

3 計算結(jié)果

3.1 程序界面

圖2 程序界面

3.2 驗證計算

以XE93電勵磁為例，輸入數(shù)據(jù)可得到定子繞組溫升、傳熱各環(huán)節(jié)的熱阻、散熱筋效率等。

表1為幾種機型的溫升計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比。該軟件既包括了常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機溫升計算，又覆蓋了高原型、海上風(fēng)電等特殊運行環(huán)境的產(chǎn)品溫升計算，較綜合、準(zhǔn)確的計算了帶散熱筋形式的風(fēng)力發(fā)電機的溫升，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以是永磁體，也可以是常規(guī)的電勵磁方式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合性較好。

4 結(jié)論

散熱筋形式的風(fēng)力發(fā)電機溫升計算方法及經(jīng)驗系數(shù)的取值通過試驗已經(jīng)充分說明其合理性，溫升計算軟件的開發(fā)大大提高了產(chǎn)品研制的可靠性，縮短了研發(fā)周期，通過不同機型的計算與試驗結(jié)果對比，吻合性較好，充分體現(xiàn)了該軟件的成熟度與準(zhǔn)確性。該軟件既包含了永磁風(fēng)力發(fā)電機的溫升計算，又包括了電勵磁風(fēng)力發(fā)電機的溫升計算，軟件具有很高的覆蓋面及綜合性。

圖3 計算報告

表1 計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的比較

[1] 薛玉石, 韓力, 李輝. 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景.

[2] 鮑里先科, 丹 科, 亞科夫列夫. 電機中的空氣動力學(xué)與熱傳遞[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1985.

[3] 楊世銘. 傳熱學(xué). 北京: 高等教育出版社.

[4] 魏永田. 電機內(nèi)熱交換. 北京: 機械工業(yè)出版社,1998.