變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機的熱分析

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2019-08-02 11:19

本文摘要：摘要：針對混合勵磁風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、損耗分布、散熱條件和運行狀態(tài)復雜的特點，以一臺100kW變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機為例，采用有限元法對發(fā)電機進行熱計算，揭示不同運行狀態(tài)(最大增磁、額定運行和最大去磁)下發(fā)電機的溫升分布規(guī)律。分析電勵磁電流零點

　　摘要：針對混合勵磁風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、損耗分布、散熱條件和運行狀態(tài)復雜的特點，以一臺100kW變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機為例，采用有限元法對發(fā)電機進行熱計算，揭示不同運行狀態(tài)(最大增磁、額定運行和最大去磁)下發(fā)電機的溫升分布規(guī)律。分析電勵磁電流零點設(shè)計對發(fā)電機勵磁繞組銅耗和溫升分布的影響，確定了電勵磁電流零點設(shè)計原則;同時分析風速和散熱面積對發(fā)電機溫升的影響。對100kW混合勵磁風力發(fā)電機樣機進行溫升實驗，通過實驗和計算結(jié)果的對比分析，驗證了計算結(jié)果的正確性。

　　關(guān)鍵詞：混合勵磁,風力發(fā)電機,溫度場,熱分析

中國電機工程學報

　　0引言

　　混合勵磁同步電機是將永磁體勵磁和電勵磁兩種勵磁方式相結(jié)合而發(fā)展起來的一種電機，該電機結(jié)合了永磁同步電機高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率和電勵磁同步電機磁場調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點，在變速恒壓風力發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景[1]。

　　由于變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、損耗分布、散熱條件和運行狀態(tài)復雜，不同運行狀態(tài)(最大增磁、額定運行和最大去磁)下混合勵磁風力發(fā)電機內(nèi)部的溫升分布不同，因此需要對發(fā)電機進行熱分析。近年來，國內(nèi)外學者在電機熱分析方面做了大量研究工作。哈爾濱工業(yè)大學李立毅等[2]采用有限元法對短時工作制高功率密度永磁電機的溫度場進行了計算，對端部繞組進行了分層等效，并對端部繞組的導熱進行優(yōu)化，優(yōu)化后電機繞組的溫升降低11K。

　　哈爾濱理工大學丁樹業(yè)等[3]對變頻永磁同步電機進行了熱分析，采用有限體積法對電機的溫度場和流體場進行了計算，得出電機內(nèi)永磁體溫升最高。天津大學王曉遠等[4]對采用不同水路時車用高功率密度電機的溫度場和流體場進行了計算，得出采用優(yōu)化的螺旋型水路電機的功率可以提高一倍。同時王曉遠等[5]還建立了等效熱網(wǎng)絡(luò)模型對輪轂電機的溫度場進行了計算。

　　沈陽工業(yè)大學張鳳閣等[6]對不同冷卻方案下1.12MW高速永磁電機的流體場和溫度場進行了計算，得出電機轉(zhuǎn)子溫度遠大于定子溫度，轉(zhuǎn)子碳纖維保護套的溫度最高。沈陽工業(yè)大學佟文明等[7]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進行溫度場計算，得出有限公式法比有限元法節(jié)約時間50%以上，有限公式法計算精度和有限元法相當。文獻[8]對比分析了非晶合金電機和硅鋼片永磁電機溫度分布的差異性，得出非晶合金電機的各部件溫升明顯降低，對于中低頻電機，非晶合金電機的永磁體渦流損耗可能增大。

　　文獻[9-10]對高速永磁電機的轉(zhuǎn)子散熱進行了研究，提出轉(zhuǎn)子風刺和通風孔可以提高轉(zhuǎn)子的散熱能力，降低永磁體溫升。北京交通大學李偉力等[11]對全空冷水輪發(fā)電機進行了熱分析，采用有限體積法對轉(zhuǎn)子的流體場和溫度場進行了計算，確定了轉(zhuǎn)子內(nèi)的空氣流動和溫升分布。同時李偉力等[12]還對磁軛通風溝形變對電機溫升的影響進行了研究，得出通風溝發(fā)生形變使電機勵磁繞組溫差變大并會出現(xiàn)局部高溫。

　　華中科技大學曲榮海等[13]采用有限體積法對強迫風冷永磁風力發(fā)電機的流體場和溫度場進行了計算，并提出在定子槽中開設(shè)徑向通風孔來改進繞組散熱，使繞組最高溫升降低5K。英國牛津大學R.Camilleri等[14]對油冷分段定子電機進行了熱分析，建立了電機流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱網(wǎng)絡(luò)，采用控制流體分布來改進電機散熱，電機的最高溫升降低了13K。

　　英國愛丁堡大學Y.C.Chong等[15]采用有限體積法對軸向磁通永磁發(fā)電機的流體場和溫度場進行了計算，得出改進入風口結(jié)構(gòu)可以提高電機的散熱。芬蘭拉彭蘭塔理工大學J.Nerg等[16]對高功率密度電機進行了熱分析，建立了電機各部件熱網(wǎng)絡(luò)和流體熱網(wǎng)絡(luò)，并對電機熱計算的敏感性進行了分析，指出繞組徑向熱導率是影響熱網(wǎng)絡(luò)模型準確性的重要參數(shù)。法國阿爾斯通公司G.Traxler-Samek等[17]對大型空冷同步電機進行了熱分析，建立了電機流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱網(wǎng)絡(luò)，確定了電機整體溫度分布。

　　國內(nèi)外學者在電機溫度場計算方面的研究取得了一定的成果。但是，針對損耗分布和運行狀態(tài)復雜的變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機溫度場計算方面的研究還鮮有報道。本文以一臺100kW混合勵磁風力發(fā)電機為例，采用有限元法對發(fā)電機進行熱計算，揭示不同運行狀態(tài)(最大增磁、額定運行和最大去磁)下發(fā)電機的溫升分布規(guī)律。分析電勵磁電流零點設(shè)計對發(fā)電機勵磁繞組銅耗和溫升分布的影響，同時分析風速和散熱面積對發(fā)電機溫升的影響。利用樣機實驗驗證計算結(jié)果的正確性。本文的研究工作對混合勵磁風力發(fā)電機的設(shè)計具有參考價值。

　　1混合勵磁風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)和參數(shù)

　　100kW變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)，發(fā)電機的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)速范圍為75~120r/min。發(fā)電機定子鐵心和轉(zhuǎn)子磁極沿軸向分成兩段，兩段定子鐵心和轉(zhuǎn)子磁極由定子背軛和轉(zhuǎn)子背軛在機械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)連接，定子背軛和轉(zhuǎn)子背軛由具有良好導磁性能的純鐵制成;勵磁繞組放置在兩段定子鐵心中間位置的背軛上;轉(zhuǎn)子磁極由永磁體磁極和鐵磁極組成，二者交錯排列;定子電樞繞組為常規(guī)三相對稱繞組。

　　該混合勵磁風力發(fā)電機內(nèi)的勵磁磁場由永磁體和勵磁繞組共同建立。根據(jù)永磁體勵磁磁場和電勵磁磁場的作用機理，該發(fā)電機存在三種運行狀態(tài)，分別為：①永磁體單獨勵磁;②永磁體和電勵磁二者共同勵磁，電勵磁起增磁作用;③永磁體和電勵磁二者共同作用，電勵磁起去磁作用[18]。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，風速變化大，要求發(fā)電機在寬速度范圍內(nèi)電壓輸出恒定。當發(fā)電機低速運行時，通過調(diào)節(jié)電勵磁使其產(chǎn)生增磁磁場;當發(fā)電機高速運行時，通過調(diào)節(jié)電勵磁使其產(chǎn)生去磁磁場，從而可以實現(xiàn)發(fā)電機在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

　　2發(fā)電機求解模型

　　2.1物理模型

　　在對混合勵磁風力發(fā)電機溫度場進行求解時，做出如下假設(shè)：1)發(fā)電機沿圓周方向的溫度分布對稱。2)發(fā)電機在圓周方向的冷卻條件相同。3)忽略定子槽部繞組的趨膚效應(yīng)。4)發(fā)電機雜散損耗集中于定子齒部、轉(zhuǎn)子極靴和永磁體。5)將電樞繞組和勵磁繞組的股線絕緣、層間絕緣、主絕緣以及槽內(nèi)空氣等效為一個絕緣實體，絕緣實體采用等效的導熱系數(shù)。基于上述基本假設(shè)，結(jié)合混合勵磁風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點和傳熱散熱特性，取電機軸向長度的1/2和圓周方向的1/5(單元電機)作為電機溫度場計算的求解域。

　　3發(fā)電機溫升計算

　　3.1發(fā)電機的冷卻條件和散熱系數(shù)確定

　　變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機采用自然風冷，運行環(huán)境風速直接影響發(fā)電機的散熱，進而影響發(fā)電機的溫升。

　　3.2發(fā)電機熱源確定

　　不同運行狀態(tài)下混合勵磁風力發(fā)電機的各部件產(chǎn)生的損耗不同。其中，雜散損耗取為發(fā)電機功率的0.5%，雜散損耗分布在電機定子齒和轉(zhuǎn)子極靴中。

　　3.3發(fā)電機溫升計算結(jié)果

　　根據(jù)上述確定的混合勵磁風力發(fā)電機的散熱邊界條件和熱源，采用ANSYS軟件對發(fā)電機進行熱計算，環(huán)境溫度為30℃。

　　通過分析可以得出，最大增磁狀態(tài)下發(fā)電機的電樞繞組溫升較低，最高溫升位于勵磁繞組，最高溫升為52.9K。這是由于此時發(fā)電機輸出功率小，電樞繞組銅耗較小，勵磁繞組銅耗較大。額定運行時發(fā)電機的最高溫升位于電樞繞組，最高溫升為52.2K，勵磁繞組溫升較低。這是由于此時發(fā)電機輸出功率大，電樞繞組銅耗大，而電勵磁電流較小，勵磁繞組銅耗較小。

　　最大去磁狀態(tài)下發(fā)電機的整體溫升較高，最高溫升位于勵磁繞組，最高溫升為69.8K。這是由于此時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高、頻率較高、鐵耗較大，發(fā)電機的輸出功率大，電樞繞組銅耗較大，勵磁繞組銅耗較大。

　　4發(fā)電機溫升實驗

　　本文根據(jù)100kW混合勵磁風力發(fā)電機所設(shè)計方案進行了樣機制造。直流電動機作為原動機連接減速齒輪箱拖動發(fā)電機樣機，發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行，利用冷卻風機對發(fā)電機進行冷卻。為了對發(fā)電機主要部件的溫升進行測試，在樣機的勵磁繞組中預埋1個PT100溫度傳感器，電樞繞組預埋6個PT100溫度傳感器。

　　對樣機進行熱實驗，原動機連接減速齒輪箱拖動樣機旋轉(zhuǎn)，樣機工作在額定運行條件下，冷卻風機對樣機進行冷卻。在樣機熱實驗過程中，實測發(fā)電機中部風速為10m/s，每隔15min記錄各溫度傳感器的溫度和環(huán)境溫度，當30min內(nèi)發(fā)電機溫差小于1K時，認為發(fā)電機的溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　5電勵磁電流零點設(shè)計對發(fā)電機勵磁繞

　　組銅耗和溫升的影響通過控制混合勵磁風力發(fā)電機電勵磁電流方向和大小可以調(diào)節(jié)發(fā)電機內(nèi)部勵磁磁場，電勵磁磁場可以起增磁作用，也可以起去磁作用。當混合勵磁風力發(fā)電機的電勵磁電流為零(Ie=0)時，發(fā)電機內(nèi)的勵磁磁場由永磁體單獨提供。混合勵磁風力發(fā)電機的電勵磁電流零點可以設(shè)計在發(fā)電機任意工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。電勵磁電流零點的選取直接影響混合勵磁風力發(fā)電機不同運行狀態(tài)下的勵磁繞組銅耗，進而影響發(fā)電機的溫升分布。

　　在發(fā)電機設(shè)計時，應(yīng)考慮發(fā)電機整體溫度分布情況，避免出現(xiàn)局部過熱點。本文分析電勵磁電流零點的選取對混合勵磁風力發(fā)電機勵磁繞組銅耗和溫升的影響。

　　6結(jié)論

　　本文通過對100kW變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機的熱計算與分析，得出以下結(jié)論：1)最大增磁和最大去磁運行狀態(tài)下，混合勵磁風力發(fā)電機最高溫升位于勵磁繞組;額定運行時，發(fā)電機最高溫升位于電樞繞組。2)電勵磁電流零點應(yīng)選擇在100~104r/min之間，此時不同運行狀態(tài)下混合勵磁風力發(fā)電機勵磁繞組銅耗均較小，且發(fā)電機溫升分布均勻。3)隨著風速的提高，混合勵磁風力發(fā)電機溫升降低的幅度逐漸變小。當風速高于20m/s時，風速每增加2m/s，發(fā)電機溫升降低小于1K。4)隨著散熱面積的增加，混合勵磁風力發(fā)電機冷卻效果提高的幅度變小，發(fā)電機的散熱面積增加2～2.5倍時為宜。

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