- 頭條沈陽工程學院學者提出基于流固耦合的永磁直驅風電機傳熱分析成果2021-04-24 作者：邢軍強 汪明武 孔瑩瑩 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語海上的風力發電已經逐漸變成一種大趨勢。大功率的電機對裝置的散熱要求很高，因此對電機進行溫度場分析可以很好地指導電機冷卻系統的設計。強迫水冷電機與自然風冷電機相比具有散熱效果好、噪聲產生少，以及使用壽命更高等優點。 沈陽工程學院的研究人員邢軍強、汪明武、孔瑩瑩，在2021年第1期《電氣技術》上撰文，以一臺外轉子永磁直驅風力發電機組為研究對象，基于流固耦合和共軛傳熱的分析方法，利用Ansys軟件對正常工作下的電機進行溫度場分析，從而得到電機內部主要部件的溫度分布。最終，通過對一臺10MW外轉子電機進行流固耦合分析，對比計算不同冷卻水流速下的電機溫升分布，得出冷卻流體流速與電機溫升的關系曲線，為電機冷卻設計提供參考。
作為一種可再生的清潔能源，海上風能越來越受到人們的青睞，尤其是風力發電。永磁體在高溫的環境下容易失去磁性，因此永磁體的散熱是一個需要解決的問題。對電機進行溫度場分析可以很好地指導電機冷卻系統的設計。有限元分析法、熱路法以及簡化公式法是電機溫度場的主要計算方法，目前普遍采用的是有限元分析法。
電機溫度計算的難點在于必須先根據流體場分析確定不同情況下的電機各個部分的散熱系數。在外加強迫冷卻時，電機的這些參數除了和電機材料本身的參數有關以外，還和電機風路設計密切相關，特別是發電機轉子和氣隙之間的的傳熱系數，需要大量的公式推導計算才能確定下來。
沈陽工程學院的研究人員利用流固耦合共軛傳熱的原理通過判別流體氣隙的流動狀態，算出氣隙層的等效熱導率◆e，并根據經驗公式算出電機主要部分的損耗。最后，以一臺10MW永磁直驅同步發電機為例，在管道入口處通以不同水流速，對電機進行溫度場分析，并進行對比，驗證方法的有效性。
圖1 電機水冷計算模型
研究人員得到以下結論：
1）基于流體場和溫度場耦合分析可以較為準確地估計電機溫升，為電機的設計提供依據。
2）定轉子之間的空氣層熱阻較大，所以此處溫度梯度很大，最高溫度部分出現在繞組和定子的頂部。此外定子由于水冷的作用出現了明顯的溫度下降，驗證了水冷方式是大型電機的有效冷卻方案。
3）隨著入口水流速增加，最高溫度繼續降低的趨勢逐漸變緩，但水管的壓降明顯增加，所以在設計時要考慮經濟性。
4）基于流固耦合對一臺10MW外轉子永磁電機進行分析計算，分析得出當冷卻流速控制在1m/s時，即可滿足電機溫升要求；計算證明外轉子結構永磁風力發電機采用定子水冷能夠滿足大容量電機溫升安全運行的要求。
本文編自2021年第1期《電氣技術》，論文標題為“基于流固耦合的永磁直驅風力發電機傳熱分析”，作者為邢軍強、汪明武、孔瑩瑩。
