雙饋風力發電機溫度場與環境溫度相關性研究

馬鐵強，閆 闖，林耀坤，孫傳宗，單光坤，陳 濤

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

大功率雙饋風力發電機的發電性能及可靠性直接影響風力發電機組的運行和安全。隨著風力發電機組容量的提高，發電機在運行過程中所產生的熱載荷隨之上升。熱載荷的積累將導致發電機的各個部件的溫度升高，對發電機的正常運行造成影響并降低發電效率。溫度過高還會損壞繞組絕緣層引起股間短路，嚴重時會燒毀定子及發電機[1]。

目前很多學者對發電機的發熱情況及溫度場進行了研究，如文獻[2]建立了雙饋風力發電機二維有限元分析模型，分析了風力發電機運行時的電磁場分布狀況及匝間短路時的溫度場。文獻[3]對轉子內冷卻介質和固體部件的溫度場進行數值求解，研究了汽輪發電機轉子溫度分布情況。文獻[4]依據傳熱理論對300 MW量級蒸發冷卻汽輪發電機的定子溫度場進行了數值計算，得出了溫度分布規律。

這些研究通常只是針對發電機的定子鐵芯、轉子鐵芯、定子繞組及轉子繞組等主要發熱元件展開，亦或是對冷卻介質或絕緣材料的熱性能進行分析。這些研究忽略了散熱系統的整體性和連續性，及散熱環境在散熱過程中起到的重要作用。所以系統的對雙饋風力發電機的內部發熱情況及其與散熱環境的相關性研究是十分必要的。

本文以一臺典型大功率風冷式雙饋風力發電機作為研究對象，依據計算流體力學及傳熱學理論，對發電機內部流場及主要發熱元件溫度場進行研究。利用研究得出的發電機仿真基本假設及邊界條件，采用有限元方法對發電機的流場和溫度場進行數值仿真。得出了發電機穩定工作狀態下的冷卻空氣流動狀態以及各重要部件的溫度分布，并確定出溫度場的最高溫度值及位置。最后通過對機艙環境溫度與電機內部發熱元件溫度相關性的研究，得出了兩者對應的線性函數關系。工程監控數據表明了該方法的正確性，對發電機的進一步優化設計具有指導意義。

1 雙饋風力發電機發熱原理及冷卻結構

1.1 雙饋風力發電機發熱原理

發電機產生的熱量主要原因有：當三相交流電流經電機的轉子和定子時，會在發電機的轉子和定子之中產生相應的銅損和鐵損，此外由于氣體流經發電機氣隙時也會產生摩擦損耗，轉動部件的轉動也會產生相應的摩擦損耗。這些損耗將使發電機產生熱量[5]。

1.2 雙饋風力發電機冷卻結構

圖1 發電機通風結構

該雙饋風力發電機采用單循環風路，內部結構主要由定子、轉子、滑環和機座等部件組成。為了增強發電機內部的散熱性能，發電機內部裝有離心式風扇，并在定子的疊片結構上設置了徑向通風道。冷卻氣流流經定子及轉子端部，一部分進入氣隙，另一部分進入轉子軸向通風道。在此過程中冷卻氣流將通過轉子軸向及徑向的通風道，另一部分氣體進入定子的徑向通風道，通過定子的背部通風道排出。

2 發電機內部流體仿真分析

發電機內多物理場彼此相互影響和約束，存在耦合關系。發電機內各發熱元件溫度場除了受到材料特性和結構影響外，還與所處冷卻環境有關。若要準確研究發電機內部溫度場，則要考慮流場對溫度場的影響。同時，發電機內部發熱元件多且結構及發熱狀態各異，當冷卻氣體流經不同位置時其溫度、流速及壓強等冷卻參數有很大差異，因此分析發電機內的流場及冷卻氣體的流動特性是十分必要的。

2.1 建立發電機仿真模型

首先建立定子和轉子的實體模型，簡化處理方法如下：

(1)將定轉子繞組鐵芯由多層銅線疊加簡化為整體的單一均質銅材，并將絕緣層包裹在外側。

(2)建模時只考慮牙槽內的繞組，忽略裸露在牙槽之外的繞組。

(3)仿真中將軸流風扇等效處理成邊界條件。

圖2 發電機模型

依據建立的定子和轉子的實體模型，再依據現有的發電機模型建立用于流場仿真的流體模型。在建立流體模型的過程中，去除對發電機流場無重大影響的軸承、滑環及機座等零部件。

圖3 發電機內流體模型

2.2 仿真分析假設

(1)空氣出口采用壓力出口邊界條件，均為標準大氣壓，參照工程數據在仿真中設為3.18 m/s。

(2)流體與固體相接觸的邊界均視為無滑移邊界。

(3)發電機內流體的流速遠小于聲速，故將冷卻氣體視為不可壓縮流體。

(4)假設模型為完全湍流，分子的粘性可以忽略，故采用標準k-ε模型。

2.3 發電機流場分析

圖4 流場溫度分布及速度矢量仿真結果圖

仿真結果表明，轉子軸向通風道的風速較高，發電機氣隙和定子及轉子鐵芯的徑向通風道風速較低。原因是發電機氣隙和鐵芯徑向通風道入口處的過流面積微小，造成氣隙和定轉子鐵芯徑向通風溝入口處的風阻較大。在冷卻過程中，冷卻空氣從入口處進入，并在轉子的旋轉作用下提高了壓力和速度，冷卻空氣在流動過程中又將動能轉化為靜壓能，隨著空氣壓力的提高，靜壓能又逐漸轉化為動能驅動冷卻空氣在發電機的氣隙及定轉子鐵芯徑向通風道內流動，完成對發電機的冷卻。

3 發電機溫度場分析

本文主要討論發電機發熱和散熱達到平衡時的溫度場，對此時的雙饋發電機溫度場進行仿真分析。由于發電機發熱部件眾多，所以在對其分析時進行了適當的簡化。

3.1 仿真分析假設

為了合理簡化求解，溫度場仿真分析的基本假設及邊界條件如下：

(1)發電機中絕大多數熱量由轉子鐵芯、定子鐵芯、轉子繞組及定子繞組產生，所以不考慮軸承損耗對發電機溫度場的影響。

(2)對繞組的分析只考慮在齒槽內繞組所產生的熱量，忽略超出齒槽外繞組所產生的熱量。

(3)發電機設計最高溫度溫度在125℃以內，忽略熱輻射所產生的影響，熱量傳遞過程主要是通過熱傳導和熱對流。

(4)流體除出口及入口邊界條件外，其余與固體的接觸面均視為無滑移邊界。

3.2 確定雙饋風力發電機溫度場仿真分析的邊界條件

3.2.1 發電機氣隙表面傳熱系數

發電機氣隙內的空氣同時受到定子內表面的阻礙和轉子旋轉的擾動影響，空氣的切向速度呈雙曲線型。可根據經驗公式得出氣隙表面的傳熱系數為

(1)

式中，αδ為氣隙表面的傳熱系數；vδ為氣隙內的平均風速vδ≈ω/2，其中ω是轉子圓周速度。

3.2.2定子繞組端部表面導熱系數

定子繞組端部既與槽部發生熱交換，還通過端部周圍的空氣散熱，導熱系數計算為

(2)

式中，u2為圓周速度。

3.2.3 發電機銅損及鐵損的計算

雙饋發電機溫度場仿真計算，主要考慮繞組、定子及轉子的銅損耗及鐵損耗。

銅損耗計算方法依據“焦耳-楞次”定律，由于繞組數量多，其公式為

(3)

式中，I為相繞組的有效電流；R為相繞組電阻。

鐵損耗的計算公式為

PFe=KαpFeGFe

(4)

式中，Kα為發電機中的磁密分布不均，電機損耗增加的系數；pFe為單位質量產生的鐵損值；GFe為鐵芯含鐵量凈值。

發電機繞組的生熱率指發電機單位體積在單位時間內所產生的熱量，由銅損耗和鐵損耗兩部分組成，可表示為

Wq=pCu+pFe

(5)

則發電機繞組的生熱率可表示為

Qd=Wq/V

(6)

式中，Wq為發電機熱損耗；V為繞組體積；Qd為繞組生熱率。

3.3 雙饋風力發電機溫度場分析

依據上述方法，以某型號雙饋風力發電機為例，可得到發電機在環境溫度及冷卻氣體溫度為37℃時內部各發熱部件的溫度場分布云圖。圖5為電機整體的溫度場分布云圖，圖6為電機定子鐵芯、轉子鐵芯、定子繞組及轉子繞組的溫度場分布云圖。

圖5 發電機溫度場云圖

圖6 定子、轉子、定子繞組及轉子繞組溫度場云圖

由于發電機中鐵芯與繞組溫度分布不均，在繞組與鐵芯牙槽接觸處繞組和鐵芯的溫度十分接近，這些位置點在分析時具有特殊性，取平均溫度進行分析。仿真數據表明，與雙饋風力發電機其他結構相比，定子繞組和定子鐵芯的溫度較高，其平均值分別為69.918 5 ℃和67.858 8 ℃。轉子繞組和轉子鐵芯的溫度相對較低，平均溫度值分別58.039 79 ℃和56.247 9 ℃。定子鐵芯平均溫度仿真結果與工程監測數據相比低3.6%，原因是發電機內部絕緣層老化導致電機內部繞組熱阻增加，散熱性能下降導致。仿真溫度與實際監測溫度誤差較小，說明仿真方法正確有效。

此外定子鐵芯牙槽和轉子鐵芯牙槽處溫度相對較高，原因是由于此處存在間隙且為了更好的絕緣和固定繞組，在繞組和牙槽之間存在間隙和絕緣材料，使得導熱系數較低，降低了散熱效果。圖6b中定轉子鐵芯遠離進氣口位置溫度較高，原因是冷卻空氣進入轉子鐵芯徑向通風溝后，在離心力作用下流入氣隙，故離冷卻空氣進風口位置越遠的轉子徑向通風溝內部空氣的流動量越少，此外隨著冷卻氣體流經發電機內部，冷卻氣體溫度也隨之上升，導致冷卻氣體的冷卻能力變差，導致轉子鐵芯原理進氣口處的位置溫度較高。同理，從氣隙流入定子徑向通風溝的冷卻空氣亦受冷卻空氣進風口位置距離的影響，也會導致鐵芯遠離進風口處位置溫度較高。

圖7 電機內整體溫度場分布

4 發電機溫度場與機艙環境溫度相關性分析

風力發電機組進入穩定運行狀態時，發電機的工作狀態也進入穩定狀態。但此時機艙受到發電機、齒輪箱、變頻柜及外源溫度載荷的積聚作用影響，機艙內部溫度相應升高，環境溫度逐漸成為發電機散熱的關鍵影響因素。發電機在正常工況下發電機的發熱量及冷卻情況，上文已經充分研究。此處以機艙內部環境溫度變化為主要研究對象，分析發電機的溫度場變化情況。

4.1 仿真分析假設及邊界條件

為了合理簡化求解，本文給出基本假設與邊界條件：

(1)根據機組所處地理位置及機組內部運行狀態，將研究溫度范圍定在27℃至47℃之間，其對發電機內部繞組溫度影響范圍低于發電機繞組設計極限溫度及環境要求溫度；

(2)由于溫度變化范圍有限，且電機內部繞組及鐵芯生熱率主要與其運行狀態及工況參數有關，而受溫度變化影響較小，所以忽略電機內部繞組及鐵芯的發熱率受溫度變化的影響；

(3)機艙環境溫度的變化，主要影響冷卻氣體溫度及發電機流場邊界溫度；

(4)研究發電機溫度變化時，在電機各主要發熱元件上選取能夠代表整體溫度變化的等距監測點進行研究。

(5)發電機其余邊界條件與算例中的狀態相同。

4.2 仿真結果及對比分析

通過仿真分析得到27℃及47℃兩個極限溫度下發電機各部位溫度分布情況，得出發電機內部各發熱部件的溫度場分布及前后對比。

圖8 環境溫度為27℃時發電機各監測點溫度

圖9 環境溫度為47℃時發電機各監測點溫度

此處研究溫度最高的定子繞組，當環境溫度及冷卻氣體溫度為27℃時最高溫度和平均溫度均為最高，分別為68.583℃和65.623℃，最大溫升和平均溫升也是最高。當環境溫度及冷卻氣體溫度為47℃時其溫度場仿真結果最高溫度和平均溫度分別為77.661℃和74.892℃。為了更加細致地分析發熱元件溫度與機艙環境溫度的關系，列出5種不同環境溫度進行對比分析，此處取溫度最高的定子繞組仿真分析結果為例，如圖10所示。

圖10 環境溫度不同時定子監測點溫度對比

由圖10可知，在不同環境溫度情況下定子繞組空間溫度分布趨勢基本一致，在溫度上呈上升趨勢，將10種環境溫度下，定子、定子繞組、轉子及轉子繞組的溫度最高值進行分析，得到圖11所示發熱元件溫度值擬合圖。

圖11 不同環境溫度下各發熱元件的溫度值擬合圖

依據分析可知，最終可得到四條擬合出來的線性函數直線，圖11中(a)～(d)分別為定子繞組、定子鐵芯、轉子繞組及轉子鐵芯的溫度最高值在不同機艙環境溫度條件的溫度值擬合函數。分析其線性函數關系可知，環境溫度每增加1℃時，發電機各發熱元件最高點溫度值大約分別增加0.501 05 ℃、0.522 82 ℃、0.472 58 ℃及0.498 21 ℃，由分析數據可知機艙散熱環境溫度對電機內部發熱元件溫升有顯著影響，且對定子的影響更加顯著，其原因主要是由于定子的散熱，一方面依靠冷卻空氣進行冷卻，另一方面將自身產生的熱載荷傳導至電機外殼進行冷卻。機艙環境溫度的升高，降低了冷卻空氣的冷卻能力，同時也使得電機表面溫度上升，阻礙了定子內熱載荷向電機外殼的傳導。

5 結束語

本文研究了某大功率雙饋風力發電機內部流場、溫度場及其與環境溫度關系，并通過實例仿真分析結果得到結論。

(1) 通過計算分析發電機內部的流場，得到了發電機內部流場的速度及壓力分布，求得了溫度場仿真所需速度參數。

(2) 由發電機內部的溫度場仿真計算分析結果，得到了溫度場內部各個關鍵元器件的溫度場分布，通過仿真分析解決了電機內部溫度場難以監測的難題。

(3) 通過分析發電機內部溫度與機艙散熱環境溫度的變化關系，根據計算仿真結果得出了溫度變化規律。并可以通過其對電機溫升進行分析和預測，進而有效的通過環境溫度變化對發電機內部溫度場進行預測。