近年來，風能作為一種清潔的可再生能源得到廣泛應(yīng)用，風力發(fā)電已成為全球增長最快的新能源。發(fā)電機是風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，永磁電機由于其高效、高功率密度等特點，近年來在以大型化為發(fā)展趨勢的風電領(lǐng)域得到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注。

隨著永磁風力發(fā)電機單機容量的不斷增大和電磁負荷的顯著提高，發(fā)電機的發(fā)熱與散熱問題已成為制約其向更大容量發(fā)展的首要問題。電機長期運行過程中，過高的溫升會限制電機電磁性能、威脅絕緣可靠性甚至造成永磁體的不可逆退磁。為了保證發(fā)電機長期安全運行，需要對其冷卻系統(tǒng)進行合理設(shè)計。由于電機冷卻能力直接受內(nèi)、外部冷卻介質(zhì)及其流動狀態(tài)的影響，對冷卻介質(zhì)散熱特性的準確估計是電機分析和設(shè)計工作中的要點。

由于基于計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）的流固耦合（Fluid Structure Interaction, FSI）方法可實現(xiàn)電機內(nèi)溫升分布和流變特性的準確分析，隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展和計算機性能的提高逐漸得到了研究人員的廣泛關(guān)注。相比于等效熱網(wǎng)絡(luò)法（Lumped Parameter Thermal-Network, LPTN）與有限元法（Finite Element Method, FEM），F(xiàn)SI方法直接數(shù)值模擬流體發(fā)熱與傳熱，計算精度較高。將FSI精確分析方法與冷卻流路的合理設(shè)計相結(jié)合的設(shè)計思路，已成為大型永磁風力發(fā)電機冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中的重要手段。

文獻[10]采用FSI數(shù)值分析了通風結(jié)構(gòu)和風道尺寸對一臺2.5 MW永磁風力發(fā)電機內(nèi)冷卻氣體流動和電機溫升分布的影響。文獻[11]從基于CFD的流場、溫度場耦合數(shù)學模型及邊界的建立與分析出發(fā)，仿真研究了空氣密度、來流風速、散熱筋排布、水冷管道排布對一臺1.5 MW風力發(fā)電機冷卻結(jié)構(gòu)散熱能力的敏感性。

文獻[12]計算了一臺分數(shù)槽集中繞組永磁風力發(fā)電機耦合的流場及溫度場，分析了不同風道數(shù)及風道寬度下電機內(nèi)風冷散熱性能，優(yōu)選了合適的風道結(jié)構(gòu)及尺寸，并提出了更高效的定子徑向風冷結(jié)構(gòu)。文獻[13]建立了計及成型繞組及繞組間水管排布影響的三維精細CFD分析模型，通過對瞬態(tài)流場和溫度場數(shù)值分析，驗證了一臺1 000 MW核能發(fā)電機空—水混合冷卻結(jié)構(gòu)的有效性。文獻[14]采用CFD模型分析了一臺高速永磁風力發(fā)電機耦合的流場和溫度場，分析了電機溫升分布狀態(tài)，并提出了定子風道的三種改進結(jié)構(gòu)。

本文以一臺1.65 MW永磁風力發(fā)電機為例，數(shù)值分析電機內(nèi)的流動和溫升分布狀態(tài)，通過將數(shù)值計算結(jié)果與溫升實驗值進行對比分析，驗證計算結(jié)果的準確性和計算方法的可靠性。針對強迫風冷結(jié)構(gòu)需要外接風機而占據(jù)系統(tǒng)空間大、開放式風路易帶入粉塵造成阻塞等問題，提出一種由轉(zhuǎn)子幅板支架作為離心式風扇驅(qū)動冷卻風的全封閉式自循環(huán)風冷系統(tǒng)，通過對流場及溫度場的數(shù)值分析驗證系統(tǒng)冷卻效果。

在此基礎(chǔ)上分析了冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)電機溫升的敏感性，優(yōu)選發(fā)電機適宜的冷卻結(jié)構(gòu)尺寸。本文的研究工作為改善大型永磁風力發(fā)電機的散熱能力、提高運行穩(wěn)定性提供了參考。

圖1 永磁風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)與通風結(jié)構(gòu)

圖6 1.65 MW發(fā)電機樣機基本結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文通過對1.65 MW永磁風力發(fā)電機強迫風冷結(jié)構(gòu)和提出的自循環(huán)混合通風冷卻結(jié)構(gòu)散熱性能的數(shù)值研究，得出以下結(jié)論：

1）本文流場及溫度場耦合溫升數(shù)值計算結(jié)果與實驗測量值吻合較好，驗證了本文物理數(shù)學模型、簡化方法、邊界設(shè)置在大型永磁風力發(fā)電機發(fā)熱與散熱分析中的正確性。

2）針對現(xiàn)有強迫風冷結(jié)構(gòu)占用系統(tǒng)空間大、易帶入粉塵等問題，本文提出一種由轉(zhuǎn)子幅板支架作為離心式風扇驅(qū)動冷卻風的全封閉式自循環(huán)混合通風冷卻結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值分析，驗證該冷卻結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部的有效散熱、均衡發(fā)電機溫升分布，保證發(fā)電機長期穩(wěn)定運行的可靠性，為大型永磁風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

3）混合通風冷卻結(jié)構(gòu)中，隨著定子軸向風道尺寸的增大，發(fā)電機溫升呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。為了保證冷卻結(jié)構(gòu)的散熱效果，需要根據(jù)數(shù)值分析合理選取風道尺寸。