混合勵(lì)磁同步電機(jī)是將永磁體勵(lì)磁和電勵(lì)磁兩種勵(lì)磁方式相結(jié)合而發(fā)展起來的一種電機(jī)，該電機(jī)結(jié)合了永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率和電勵(lì)磁同步電機(jī)磁場調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)，在變速恒壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

由于變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、損耗分布、散熱條件和運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，不同運(yùn)行狀態(tài)（最大增磁、額定運(yùn)行和最大去磁）下混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫升分布不同，因此需要對發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱分析。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在電機(jī)熱分析方面做了大量研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李立毅等采用有限元法對短時(shí)工作制高功率密度永磁電機(jī)的溫度場進(jìn)行了計(jì)算，對端部繞組進(jìn)行了分層等效，并對端部繞組的導(dǎo)熱進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后電機(jī)繞組的溫升降低11K。

哈爾濱理工大學(xué)丁樹業(yè)等對變頻永磁同步電機(jī)進(jìn)行了熱分析，采用有限體積法對電機(jī)的溫度場和流體場進(jìn)行了計(jì)算，得出電機(jī)內(nèi)永磁體溫升最高。天津大學(xué)王曉遠(yuǎn)等對采用不同水路時(shí)車用高功率密度電機(jī)的溫度場和流體場進(jìn)行了計(jì)算，得出采用優(yōu)化的螺旋型水路電機(jī)的功率可以提高一倍。同時(shí)王曉遠(yuǎn)等還建立了等效熱網(wǎng)絡(luò)模型對輪轂電機(jī)的溫度場進(jìn)行了計(jì)算。

沈陽工業(yè)大學(xué)張鳳閣等對不同冷卻方案下1.12MW高速永磁電機(jī)的流體場和溫度場進(jìn)行了計(jì)算，得出電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度遠(yuǎn)大于定子溫度，轉(zhuǎn)子碳纖維保護(hù)套的溫度最高。沈陽工業(yè)大學(xué)佟文明等分別基于有限元法、有限體積法和有限公式法對全封閉自扇冷永磁同步電機(jī)進(jìn)行溫度場計(jì)算，得出有限公式法比有限元法節(jié)約時(shí)間50%以上，有限公式法計(jì)算精度和有限元法相當(dāng)。

有學(xué)者對比分析了非晶合金電機(jī)和硅鋼片永磁電機(jī)溫度分布的差異性，得出非晶合金電機(jī)的各部件溫升明顯降低，對于中低頻電機(jī)，非晶合金電機(jī)的永磁體渦流損耗可能增大。文獻(xiàn)[9-10]對高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子散熱進(jìn)行了研究，提出轉(zhuǎn)子風(fēng)刺和通風(fēng)孔可以提高轉(zhuǎn)子的散熱能力，降低永磁體溫升。

北京交通大學(xué)李偉力等對全空冷水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了熱分析，采用有限體積法對轉(zhuǎn)子的流體場和溫度場進(jìn)行了計(jì)算，確定了轉(zhuǎn)子內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫升分布。同時(shí)李偉力等還對磁軛通風(fēng)溝形變對電機(jī)溫升的影響進(jìn)行了研究，得出通風(fēng)溝發(fā)生形變使電機(jī)勵(lì)磁繞組溫差變大并會(huì)出現(xiàn)局部高溫。

華中科技大學(xué)曲榮海等采用有限體積法對強(qiáng)迫風(fēng)冷永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流體場和溫度場進(jìn)行了計(jì)算，并提出在定子槽中開設(shè)徑向通風(fēng)孔來改進(jìn)繞組散熱，使繞組最高溫升降低5K。英國牛津大學(xué)R. Camilleri等對油冷分段定子電機(jī)進(jìn)行了熱分析，建立了電機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱網(wǎng)絡(luò)，采用控制流體分布來改進(jìn)電機(jī)散熱，電機(jī)的最高溫升降低了13K。

英國愛丁堡大學(xué)Y. C. Chong等采用有限體積法對軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)的流體場和溫度場進(jìn)行了計(jì)算，得出改進(jìn)入風(fēng)口結(jié)構(gòu)可以提高電機(jī)的散熱。芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)J. Nerg等對高功率密度電機(jī)進(jìn)行了熱分析，建立了電機(jī)各部件熱網(wǎng)絡(luò)和流體熱網(wǎng)絡(luò)，并對電機(jī)熱計(jì)算的敏感性進(jìn)行了分析，指出繞組徑向熱導(dǎo)率是影響熱網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確性的重要參數(shù)。法國阿爾斯通公司G. Traxler-Samek等對大型空冷同步電機(jī)進(jìn)行了熱分析，建立了電機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱網(wǎng)絡(luò)，確定了電機(jī)整體溫度分布。

國內(nèi)外學(xué)者在電機(jī)溫度場計(jì)算方面的研究取得了一定的成果。但是，針對損耗分布和運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜的變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場計(jì)算方面的研究還鮮有報(bào)道。本文以一臺100 kW混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，采用有限元法對發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱計(jì)算，揭示不同運(yùn)行狀態(tài)（最大增磁、額定運(yùn)行和最大去磁）下發(fā)電機(jī)的溫升分布規(guī)律。

分析電勵(lì)磁電流零點(diǎn)設(shè)計(jì)對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組銅耗和溫升分布的影響，同時(shí)分析風(fēng)速和散熱面積對發(fā)電機(jī)溫升的影響。利用樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。本文的研究工作對混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

圖1 100kW混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 100kW混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)

圖5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺

結(jié)論

本文通過對100kW變速恒壓混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱計(jì)算與分析，得出以下結(jié)論：

1）最大增磁和最大去磁運(yùn)行狀態(tài)下，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)最高溫升位于勵(lì)磁繞組；額定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)最高溫升位于電樞繞組。

2）電勵(lì)磁電流零點(diǎn)應(yīng)選擇在100~104r/min之間，此時(shí)不同運(yùn)行狀態(tài)下混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組銅耗均較小，且發(fā)電機(jī)溫升分布均勻。

3）隨著風(fēng)速的提高，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫升降低的幅度逐漸變小。當(dāng)風(fēng)速高于20m/s時(shí)，風(fēng)速每增加2m/s，發(fā)電機(jī)溫升降低小于1K。

4）隨著散熱面積的增加，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻效果提高的幅度變小，發(fā)電機(jī)的散熱面積增加2～2.5倍時(shí)為宜。