2MW空冷風力發電機熱性能分析及改善

魏靜微　黃全全　譚勇　武會延

摘要：為了有效改善2MW空冷風力發電機的熱性能，滿足實際工作需要，建立了該電機三維穩態溫度場模型，對電機內的熱場進行了分析和研究，明確了該電機傳熱特性及溫度分布規律，發現該電機局部溫度過高；對涉及電機熱性能的相應參數進行了完善，并對相應結構參數下電機進行了熱性能分析，通過實驗證明改善后電機熱性能滿足電機運行要求，此研究對大型電機的結構優化和運行提供了一定的借鑒。

關鍵詞：大型風力發電機；三維溫度場；穩態；有限元；空冷

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.015

中圖分類號：TM 301.4

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0079-05

0.引言

隨著風力發電機的單機容量的不斷上升，電磁負荷與損耗增大，電機溫升也越來越嚴重，由于風力發電機的溫升直接關系到機組的性能和經濟指標，同時還影響發電機的壽命和運行的可靠性，如何對電機進行設計并合理的分配好電機內的氣流，降低損耗使發熱部件得到良好的冷卻，越來越為設計者所關心，因此，對電機進行熱分析就尤其重要。

目前國內外對中大型發電機的溫度場的研究較多，但大多數研究都單獨針對電機定子、轉子、冷卻介質等的熱分析，忽略了發電機整體熱量傳遞的連續性.這主要是由于發電機轉子在高速旋轉時存在氣隙、軸向和徑向通風孔氣流作用，使得散熱系數和生熱率等很難確定，所以對大型空冷風力發電機整體三維溫度場的研究仍具有一定的實際意義和工程價值。

國內某廠購買國外2MW兩端通風空冷風力發電機，以國內工藝及材料制造出電機后，發現該電機發熱問題比較突出；又由于發電機常處于高空長日照運行環境，使得該電機不能很好的滿足客戶和運行的要求，本文首先對其額定工況下熱性能進行分析，采用有限元法，根據傳熱學理論，建立了定、轉子三維穩態溫度場有限元模型，結合工程實際給出相應的基本假設和邊界條件，對額定功率穩態運行時發電機整體溫度進行仿真，由此明確了該電機傳熱特性及溫度分布規律，發現該電機局部溫度過高；其次對涉及電機熱性能的相應參數進行了改善并對改善后電機進行熱分析，結果能更好的滿足實際工況；進行樣機試制后，對改善后樣機進行了溫度實測，實測結果與仿真結果在合理誤差內，本文研究對大型電機的結構優化和運行提供了一定的借鑒。

1.2求解域模型的建立

1.2.1基本假設

由于發電機定、轉子結構十分復雜，為了能準確計算出電機的溫度分布，需要對定、轉子求解域做一些簡化，根據某廠風力發電機結構和通風特點，現對其求解域做如下假設：

1）不考慮定、轉子銅條端部伸出部分、護環等處溫度影響，定、轉子鐵心各自齒、軛部熱源不做區分，且各熱源均勻發熱。

2）槽內所有絕緣材料（槽楔、層問絕緣等）相同，分布均勻，且認為電機定轉子鐵心與槽絕緣緊密接觸。

3）不考慮氣隙軸向風速，且人口冷風風速為34.8m/s。

1.2.2求解域的確定

建立了2MW樣機的三維溫度場模型，考慮到定、轉子結構的對稱性，風路的周期性且轉子軸向通風孔12個，建模時取定、轉子部分的1/12作為求解域，其中轉子軸向通風孔左右各取一半，電機基本參數如表1，求解域如圖1。

2.電機內熱源和散熱系數的確定

本文2MW樣機采用密閉空氣冷卻，電機兩端風扇與轉軸相連，冷風從軸向風孔吹入電機，熱風從定子徑向風孔經擋板吹向上端的冷卻器，冷卻后的氣體通過風道流向轉軸風扇處，現取求解域1/2平面圖作出其通風路徑示意如圖2所示。

2.1熱源

電機損耗就是熱源，準確計算電機各損耗是進行溫度場計算的基礎，電機損耗主要包括繞組損耗、鐵耗、機械損耗、風摩損耗和雜耗等.定子銅耗與其電流平方成正比；定子齒、軛部鐵耗與各自鐵心質量相關，分別計算后統一加在定子鐵心上；轉子齒諧波及其磁場高次諧波在定子表面產生的損耗加在定子鐵上；機械損耗與電機直徑和極對數有關，計算后按一定比例分別施加到定轉子鐵上；風摩損耗依據風路結構合理分配.轉子損耗的施加與定子類似.將計算出的損耗轉換為生熱率如表2所示。

2.2傳熱系數

傳熱系數直接關系到電機的散熱，由于轉子的旋轉及軸向、徑向、氣隙空氣的流動，使得溫度場與流體場耦合在一起，傳熱系數很難被確定，本文引用有效傳熱系數σ，用靜止流體的導熱系數來描述軸向、徑向、氣隙等通風孔中流體的熱交換能力，首先依據總入口流量等于總出口流量原則，由入口風速求出各軸向風孔與徑向風孔的風速，再根據經驗公式馴求出各散熱面的傳熱系數并分別施加。

依據以上公式計算出相應的傳熱系數，并分別施加到轉子軸孔，定轉子徑孔，定轉子氣隙面和端面等，對模型進行求解計算，得到電機溫度分布。

3.溫度場計算結果分析

3.1發電機額定工況下溫度場

在上文給出的模型、基本假設和邊界條件基礎上，計算發電機額定運行狀態下電機整體溫度分布，計算結果如圖3所示。

圖3顯示在整體電機中，定子溫度比轉子溫度高，最高點溫度出現在定子銅條中部附近。轉子整體溫度也較高，呈現中間溫度高，兩端面及軸向風孔處溫度較低，轉子最高溫度出現在轉子銅條中部，由于上圖顯示定、轉子銅條區域發熱嚴重，為更好地分析電機發熱，現做出定子銅條溫度分布如圖4，轉子銅條溫度分布如圖5，定轉子絕緣層溫度分布如圖6所示。

圖4顯示定子銅條溫度分布，最高溫度在上層銅條中部為131.0℃，明顯高于下層銅條溫度，這是因為下層銅條位于槽底與定子鐵接觸，傳熱效果較好，而上層銅條有一面與空氣接觸，傳熱效果比下層傳熱差；定子銅條上下層均為兩端低中間高，說明電機端部有一定的散熱效果.圖5顯示轉子銅條溫度分布，轉子銅條上層溫度高于下層，最高溫度出現在上層銅條中部為124.9℃，溫度分布原理與定子類似.根據電機生熱率可知，轉子銅耗明顯要高，但其溫度卻并沒有定子高，說明軸向通風孔有一定的散熱效果，圖6顯示定轉子絕緣層溫度分布，顯示定子絕緣層中部氣隙側溫度很高，仿真定子銅條平均溫度128.7℃，轉子銅條平均溫度113.0℃，工廠實測定子銅條平均溫度為121.4℃，轉子銅條平均溫度為125.2℃，此實測數據轉子高于高于定子銅條，但與仿真分析有差別，分析是因為實際風孔散熱并沒有理想的好.定子銅條誤差為6.01%，轉子銅條誤差為9.74%，說明計算方法對電機熱分析合理。

該電機為H級絕緣，F級考核，盡管最高準許溫度，但銅條局部溫度很高又因為風力發電機工作在高空長日照尤其夏天炎熱環境下，此風力發電機就不能很好的滿足實際工作要求。

3.2完善后電機整體溫度場分析

根據該電機額定運行狀態下傳熱特性及溫度分布規律，對涉及電機熱性能的相應參數進行了完善，重新進行了電磁優化設計，在保證電機性能指標合格的前提下，主要對徑向各尺寸做了調整，其中定子內外徑分別增加50mm、40mm，轉子內徑增加20mm，孔直徑增加6mm，且定轉子槽尺寸、繞組截面相應增加等，變化前后如圖7所示。

改善后電機與原電機相比，機械損耗增加，但定子銅耗有所下降，轉子銅耗下降明顯，電機通風量也有所增大使得散熱效果更好，對改善后電機額定運行狀態下熱性能進行分析，整體溫度分布如圖8示。

圖8顯示改善后電機整體溫度分布趨勢不變，仍然是定子區域溫度比轉子溫度高，最高點溫度出現在定子銅條中部附近，但電機最高溫度明顯降低到123.1℃.由于定轉子最高溫度在各自銅條處，為更好地比較電機改善前后定轉子銅條溫度分布變化，現做出改善前后定子銅條沿軸向溫度分布曲線如圖9，轉子銅條沿軸向溫度分布曲線如圖10進行分析。

圖9為改善前后定子銅條溫度分布，改善后定子銅條溫度降低9.3°C，說明雖然電機尺寸變大機械耗增加，但定子銅耗降低且通風量增加使定子散熱效果更好，使定子溫度降低；圖10為改善前后轉子銅條溫度分布，改善后轉子銅條溫度降低14.6°C，因為電機改善后轉子銅耗明顯減少且軸向通風孔尺寸和風量均增大，散熱效果增強，所以轉子銅條溫度比定子降低更多，圖9、圖10能清晰反映電機改造前后溫度變化，某廠對改善后電機額定運行時定、轉子銅條溫度進行了多點測量，表3給出了計算值與實測平均溫度對比。

從表3中數據可以看出，改善電機定子銅條實測平均溫度107.5℃，轉子銅條實測平均溫度為102.8°C，與計算結果比較相比，定子銅條誤差為11.07%，轉子銅條誤差為4.47%，誤差在合理范圍內且裕量充足，更能滿足實際工況要求，說明此電機改善比較合理。

4.結論

本文對2MW空冷風力發電機額定運行下熱性能進行分析并對電機結構參數改善后的溫度場進行了論證，通過本文研究，可得出如下結論：

1）原電機額定運行時整體溫度呈現中間高，兩邊低，且定子上層銅條中心發熱十分明顯，電機不能很好地滿足實際工況的需要。

2）對原樣機徑向尺寸及軸向風孔改善，且增大通風量，電機整體溫度下降明顯，其中定子銅條溫度降低9.3°C，轉子銅條溫度降低14.6°C.

3）對改善后電機進行實測值與計算結果比較，誤差在合理范圍內且溫度滿足絕緣要求，說明電機改善方法合理，本文研究對大型電機的結構優化和運行提供了一定的借鑒。