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

隨著永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大和電磁負(fù)荷的顯著提高，發(fā)電機(jī)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(jī)長期運(yùn)行過程中，過高的溫升會限制電機(jī)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(jī)長期安全運(yùn)行，需要對其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。由于電機(jī)冷卻能力直接受內(nèi)、外部冷卻介質(zhì)及其流動(dòng)狀態(tài)的影響，對冷卻介質(zhì)散熱特性的準(zhǔn)確估計(jì)是電機(jī)分析和設(shè)計(jì)工作中的要點(diǎn)。

由于基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）的流固耦合（Fluid Structure Interaction, FSI）方法可實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)溫升分布和流變特性的準(zhǔn)確分析，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)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(jì)算精度較高。將FSI精確分析方法與冷卻流路的合理設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，已成為大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中的重要手段。

文獻(xiàn)[10]采用FSI數(shù)值分析了通風(fēng)結(jié)構(gòu)和風(fēng)道尺寸對一臺2.5 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻氣體流動(dòng)和電機(jī)溫升分布的影響。文獻(xiàn)[11]從基于CFD的流場、溫度場耦合數(shù)學(xué)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(fēng)速、散熱筋排布、水冷管道排布對一臺1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)散熱能力的敏感性。

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

本文以一臺1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，數(shù)值分析電機(jī)內(nèi)的流動(dòng)和溫升分布狀態(tài)，通過將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與溫升實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算方法的可靠性。針對強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)需要外接風(fēng)機(jī)而占據(jù)系統(tǒng)空間大、開放式風(fēng)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(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)的全封閉式自循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)，通過對流場及溫度場的數(shù)值分析驗(yàn)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(jī)溫升的敏感性，優(yōu)選發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的散熱能力、提高運(yùn)行穩(wěn)定性提供了參考。

圖1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)與通風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖6 1.65 MW發(fā)電機(jī)樣機(jī)基本結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文通過對1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)和提出的自循環(huán)混合通風(fēng)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值吻合較好，驗(yàn)證了本文物理數(shù)學(xué)模型、簡化方法、邊界設(shè)置在大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)熱與散熱分析中的正確性。

2）針對現(xiàn)有強(qiáng)迫風(fēng)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(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)的全封閉式自循環(huán)混合通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值分析，驗(yàn)證該冷卻結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的有效散熱、均衡發(fā)電機(jī)溫升分布，保證發(fā)電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性，為大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

3）混合通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)中，隨著定子軸向風(fēng)道尺寸的增大，發(fā)電機(jī)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(fēng)道尺寸。