………… 。 ／ 劾 计 新 ｛｛≥……………………………………………………… ．． ． ＿－． …．＿＿：：－＿～ ． ：． 舨特电棚 ２０１２－ｖ －第４０卷第３期 ：． …．． 永磁风力发电机通风系统计算与热分析 刘丽红 （沈阳职业技术学院，辽宁沈阳１１００４５） 永磁风力摘要：永磁风力发电机的通风发热综合计算可以指导发电机及其冷却系统设计，并准确地得到发电机各部 件的温升及其分布。采用计算流体力学（ＣＦＤ）法进行通风系统计算，采用等效热网络法进行热计算。通过通风系 统计算得到发电机内冷却空气流量分配、风速分布及风压降。通风计算结果为外加风机的选型提供了依据。根据 发电机内风速分布确定发电机各部件的对流散热系数，并将其作为热计算的边界条件，通过热计算得到发电机各 部件的温升值。 关键词：计算流体动力学；通风系统；永磁；风力发电机；热分析；风机；温升 中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２０１２）０３—００３８—０２ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｗｉｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＨＵ Ｌｉ—ｈｏｎｅ； （Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００４５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｇｕｉｄｅｄ ｂｙ ａ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｎ ｅａｃｈ ｐａｒｔ．Ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕ— ｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｌｆｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ａ ｃｌｅａｒ ｐｉｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｆｕｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃ－ ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｉｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｅｒｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ（ＰＭ）；ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ０引 言 电机内的各种物理场是互相影响、互相制约的， 难精确计算。通风系统的工程算法是利用风路图来 代替实际管道，根据实验结果或经验估计气体流动 情况，做出风路图并计算系统中的各个风阻和合成 且有一定耦合关系的综合场。电机内部的通风与温 度场是通过对流换热的方式联系在一起的 ｊ。对 于半直驱永磁风力发电机，由于其通常位于机舱内， 风阻，从总体上计算出电机的风量和风速 。这 种计算方法虽简单，但与实际情况差别较大，并且无 法描述电机内部的实际风速分布状况和局部漩涡流 自然冷却条件相对较差，需要采用附加的冷却措施。 本文将对一台１ ＭＷ半直驱式永磁风力发电机通风 系统进行计算分析。该永磁风力发电机通风系统的 动。随着计算机性能的不断提高，计算流体动力学 已经渗透到许多相关学科和工程应用之中。同时， 主要特点是：利用外加风机进行强迫风冷、并采用轴 向式的通风结构；风力发电机定子铁心背部形成轴 向通风道，圆周方向一共有２４个彼此分离的风道； 计算流体动力学（以下简称ＣＦＤ）在电机通风冷却 计算中已得到了应用。文献［４］采用二维流体场计 算了大型发电机单个定子径向通风沟内的流体运动 情况，在计算中忽略了流体流动在轴向的差异性。 本文采用ＣＦＤ方法对发电机的通风系统进行 发电机一侧加鼓风机，驱动冷却流体沿轴向流动到 另一侧，冷却电机各部件，然后从电机内排出，冷却 空气与电机内的发热部件进行热交换，散去电机产 生的热量。 三维流场计算，得到发电机内部的流量分配和风压 降，以及发电机内部的风速分布，为发电机通风系统 的优化设计提供了优越的平台。根据发电机内部的 风速分布确定热计算的边界条件，采用等效热网络 法计算得到发电机各部件的温升值。 由于电机结构的复杂性，电机内的通风系统很 ３８ 收稿日期：２０ｌ１—１１—０２ …．触＿整电＿ … 熊 鲎筻 ……………………………～… …１ １电机内流场的数学模型 电机内冷却空气的状态为定常粘性不可压缩湍 流 ］。根据流体动力学理论，在直角坐标系中采用 时均法，湍流流体流动控制方程包含时均连续方程 和时均Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程，其张量形式如下＿６ ： ａ ＋ ａ Ⅵ ¨ （ ）＝０ （１）、 （ ）＋ 毒（眦 一毒＋ ・ （ 一ｐ习＋Ｓ （２） 式中：下标ｉ与 的取值范围是（１，２，３）；ｕ 为时均 流速；ｐ为时均压力泓为流体粘性系数；ｐ为流体密 度；－ｐ ｕ；为Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力；ｓ 为时均源项。 为使上述方程组封闭，通常需要引入新的湍流 模型。其中，标准ｋ－６两方程模型在工程中使用最 为广泛，它由湍动能ｋ方程和耗散率ｓ方程构成。 当流体为不可压且不考虑用户自定义的源项时，标 准ｋ－８模型可描述： ａ￡ ＋ ａ ａ＝毒 Ｏ ｆ【＼， 。 ＂ｋ嘲 ／ａ Ｊ 广 （３） ａｆ ＋ ａ戈 ａ＝毒 ／ Ｌ＼， 。ｒ－Ｌ。ｔ）／ ＋ａ Ｊ Ｇｋ—ｃ ｝ （４） 式中： 为湍动粘度；Ｇ 为由于平均速度梯度引起 的湍动能ｋ的产生项；Ｃ。 、Ｃ 。、 以及ｏｒ 为常数。 ２确定风机数目 本文采用基于ＣＦＤ方法的Ｆｌｕｅｎｔ ６．５软件对发 电机内流体流动进行数值模拟，从而准确地计算出 发电机内部的风速分布。实质上，Ｆｌｕｅｎｔ软件只是 一个求解器，它本身不具有建模和划分网格的功能。 然而网格质量对ＣＦＤ计算精度和计算效率影响很 大，本文利用专用前处理软件ＧＡＭＢＩＴ来生成网格。 冷却空气在电机内的流动状态为湍流，本文选取标 准ｋ－８两方程模型来计算冷却空气的流动情况。 对于近壁区域流体流动问题，采用壁面函数法来进 行处理。在发电机的入风口设置速度人口边界条件 来取代风机的作用，出风Ｅｌ采用压力出口边界条件。 使用二阶迎风格式离散控制方程，选择压力速度耦 合求解器进行求解。 由于发电机的外形尺寸比较大，为了使冷却空 气均匀地进入电机内部，本文采用数台风机并联运 行的方式。运用ＣＦＤ方法计算发电机定子轴向通 风道入口处的风速分布，根据发电机轴向通风道入 口处风速分布的均匀度（最大风速与最小风速之 差）确定风机的数量。由于６台风机在圆周方向上 存在对称性，选取单个风机对应的发电机端腔区域 作为计算区域。这 里以６台风机为例 来说明整个计算过 程。图１为单个风 机所对应发电机端 “ … 。 。腔内的风速分布图。 ８ＹＢＦⅢ”。ｆ３ａ ，ｐｂ ｎＪ 从图中可以清晰地 图１风速分布图 看出，冷却空气在端 腔内的流动速度分 布情况。图２为轴 向通风道人口处的 速度等值线图，从图 … “ ｕＥ １２ 。（ 中得到轴向通风道 人口处的最大风速 图２风速等值线图 为２０．３ ｍ／ｓ，最大风速发生在风机正对的通风道入 口处。 图３为选择６个风 ２： 机时，单个风机所对应量 的４个轴向通风道人口 ｌ ２ ＪＬＩ ３ ４ 处的风速分布情况。选 通风道编号 择不同的风机数目分别图３ 通风道入口处风速分布 计算，计算结果表明当选择６个风机并联运行时，各 通风道内最大风速与最小风速之差百分比为１４％； 选择４个风机时，各通风道内最大风速与最小风速 之差的百分比将超过２０％。通风道内风速分布的 不均匀会引起发电机温升分布不均匀。本文最终确 定６台风机并联运行。 ３通风系统计算 在进行通风计算时，由于发电机的６台风机在 圆周方向存在对称性，选取单个风机对应的发电机 内冷却空气作为计算的求解区域进行建模，将模型 对称面设置为周 期性边界条件。 图４为计算区域的 静压等值线图。 从图中可以看出， 发电机的静压为１ ０８０ Ｐａ，发电机总 压降为１ ２６７ Ｐａ。 图４静压等值线 Ｉ ｝ （下转第４３页） ３９ 永磁风……堕 …． 蔓 塑 塑……一…………………………一…．．．………一…… … ｌ００６． …．： 王耀南．智能控制系统［Ｍ］．湖南：湖南大学出版社，２００６． 范鸣玉，张莹．最优化技术基础［Ｍ］．北京：清华大学出版社， １９８２，１． ［８］ 吕金虎，陆君安，陈士华．混沌时间序列分析及其应用［Ｍ］．武 汉：武汉大学出版社，２００２． Ｓｈｉ Ｙ，Ｅｂｅｒｈａｒｔ Ｒ．Ｅｍｐｉｉｒｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ［９］ 王成元．电机现代控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２Ｏｏ６． ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ，ＵＳＡ．１９９９：１９４５—１９５０． ［１Ｏ］ 徐衍亮．电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统研究 ［Ｄ］．沈阳：沈阳工业大学，２００１． 方红庆，沈祖诒．基于改进粒子群算法的水轮发电机组ＰＩＤ调 速器参数优化［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（２２）：１２０— １２４． ［１１］王凌．智能优化及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，施普 林格出版社，２００１． ［１２］ 郭磊．基于粒子群算法的水轮机调速器参数优化［Ｄ］．南京： 河海大学，２００７． Ｓｏｕｓａ Ｔ，Ｓｉｌｖａ Ａ，Ｎｅｖｅｓ Ａ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｍｉ ｂａｓｅｄ ｄａｔａ ｍｉｎｉｎｇ ｌｇｏ・ａ ｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔａｓｋｓ［Ｊ］．Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００４，５ （３Ｏ）：７６７—７８３． Ｊｕａｎｇ Ｃ．Ａ Ｈｙｂｒｉｄ ｏｆ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｎｌ ｏｐｔｉｍｉ— 作者简介：钱苗旺（１９８２一），男，博士研究生，主要研究方向为智 ｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅｃｕｒｒｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｍａｎ ａｎｄ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，Ｐａｒｔ Ｂ：Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，２００４，２（３４）：９９７一 能控制在电力电子与电力传动中的应用。 （上接第３９页） 风口侧的定子上层绕组处。 表２计算结果 温升 计算值／Ｋ 温升 计算值／Ｋ 图５为发电机求解区域的风速分布，通过观察 风速分布图，发电机内的最大风速为３２．８ ｍ／ｓ，最 大风速位于发电机定子轴向通风道的人口处。冷却 器空气的流速沿着轴向通风道方向逐步减小，但是 变化幅度较小。 机壳 定子轭 定子齿 槽中绕组 ３Ｏ．２ ５６．６ ６５．２ ７８．８ 端部绕组（入口侧） 端部绕组（出口侧） 永磁体 转子轭 ５９．２ ７２．４ ４３．８ ４２．６ ５结语 本文采用ＣＦＤ法对发电机进行了通风计算，确 定采用６台外加风机对发电机进行冷却，计算出通 风系统总风压降为ｌ ２６７ Ｐａ，冷却空气流量为２．２１６ １ ＩＴＩ ／ｓ，为风机的选型提供了依据。根据通风计算，确 图５风速分布图 通过以上计算得到通风系统总风压降为１ ２６７ Ｐａ，冷却空气流量为２．２１６ １ ＩＴＩ ／ｓ，为风机的选型提 供了依据。根据计算结果，选择合适的风机对风力 发电机进行冷却。 定热计算的边界条件，采用等效热网络法对发电机 进行热计算，得到发电机各部件的温升值。由计算 结果可以看出，发电机绕组沿轴向的温升分布是不 均匀的，发电机的最高温升位于靠近出风口侧的上 层绕组处，发电机的最高温升值为７８．８ Ｋ，说明该 通风系统能够满足温升要求。 参考文献 ［１］ 温嘉斌，孟大伟，周美兰，等．大型水轮发电机通风发热场模型 研究及通风结构优化计算［Ｊ］．电工技术学报，２０００，１５（６）：１－４． ［２］魏永田，孟大伟，温嘉斌．电机内热交换［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，１９９８：２３０． ４热分析 发电机的温升计算需要确定发电机各部件的对 流散热系数。本文根据上述ＣＦＤ通风系统计算得 到的发电机内部风速，确定各部件的对流散热系数。 基于混沌粒子群表１列出了发电机各部件的对流散热系数。 表１对流散热系数 对流散热系数 计算值／［Ｗ／（ｍ ・Ｋ）］ ［３］ 陈世坤．电机设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００． ［４］李伟力，丁树业，勒慧勇．基于耦合场的大型同步发电机定子 温度场的数值计算［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（１３）：１２９ —定子铁心气隙侧表面 转子气隙侧表面 机壳表面 定子轴向通风道 端部绕组 ６０ ６０ １４．２ ６５ ４０ １３４． ［５］ 王福军．计算流体动力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２ｎ０４ 采用等效热网络法对发电机进行热计算，计算 得到发电机各部件的温度分布如表２所示。由计算 结果可以看出，发电机绕组沿轴向的温升分布是不 均匀的，发电机的最高温升为７８．８ Ｋ，位于靠近出 ［６］Ｎｅｒｇ Ｊ，Ｒｉｌｌａ Ｍ，Ｐｙｒｈｏｎｅｎ Ｊ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｎａａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒａｄｉａｌ—ｆｌｕｘ ｅ１ｅｃ． ｔｒｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉ０ｎ ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉｌａ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００８，５５（１０）：３５４３—３５５４． 作者简介：刘丽红（１９６７一），女，硕士，研究方向为电气自动化。 ４３
