永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機定子溫度場研究

文 | 張海平，王金輝，艾厚剛

（作者單位：張海平，艾厚剛：包頭中車電機有限公司；王金輝：新疆金風(fēng)科技股份有限公司）

風(fēng)力發(fā)電機整機在將機械能轉(zhuǎn)化為電能的同時，部分能量以定子發(fā)熱形式散失。在目前的技術(shù)條件下，定子的絕緣性能與散熱能力是一對難以破解的矛盾，增大絕緣層厚度毫無疑問可以提高定子絕緣能力，但定子散熱能力會隨之降低，電機運行溫度也會隨之增高。反之，電機散熱能力強，運行溫度低，則電機容易潮濕，絕緣電阻又將隨之降低。因此，在保證定子絕緣性能的前提下，通過研究定子溫度場分布，可充分了解電機定子溫度變化、電機散熱和故障等情況，對于發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

此外，風(fēng)力發(fā)電機單機大容量、大尺寸的發(fā)展趨勢對其絕緣性能、抗腐蝕性能以及散熱能力提出更高要求。定子的運行溫度、散熱能力與其絕緣性能相關(guān)。以永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機為例，目前，該類風(fēng)力發(fā)電機最顯著的故障模式為定子絕緣擊穿及軸承失效。為了平衡定子絕緣性能和散熱能力這對矛盾，需研究定子運行時的溫度分布情況，找出定子運行溫度最高值的對應(yīng)位置，對此處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和絕緣升級，以減少發(fā)電機因散熱問題導(dǎo)致的定子絕緣失效。

本文基于定子制造材料、工作狀況及運行環(huán)境，選擇合適的定子對流換熱系數(shù)，利用ANSYS軟件的溫度場模塊模擬定子鐵心、線圈的溫度分布情況，得到合理的定子溫度場云圖，分析了發(fā)電機定子線圈的熱傳導(dǎo)、熱對流情況，并將其與實測結(jié)果進(jìn)行對比。

熱分析基礎(chǔ)理論

熱傳遞有三種基本方式，分別是熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。

熱傳導(dǎo)是兩個物體之間或一個物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律：

式中，q*為熱流密度；Knn為導(dǎo)熱系數(shù)；為沿向的溫度梯度。

熱對流是固體表面與其周圍接觸的流體之間由于溫差引起的熱交換，分為自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，hf為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，TS為固體表面的溫度，TB為周圍流體的溫度。

熱輻射在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量，它們之間的凈熱量可以用斯蒂芬-波爾茲曼方程計算：

式中，Q為熱流量，ε為吸射率，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，A1為輻射面1的面積，F(xiàn)12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，T1為輻射面1的絕對溫度，T2為輻射面2的絕對溫度。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中，因電機內(nèi)部的溫度差值較小，本文在分析定子生熱熱傳遞時主要考慮導(dǎo)線、絕緣和硅鋼片之間存在的熱傳導(dǎo)以及定子表面和空氣之間存在的熱對流情況，不考慮熱輻射。

有限元分析

一、定子有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

利用ANSYS中Workbench對某大型風(fēng)力發(fā)電機定子建模。由于定子的熱量來源主要有兩部分，一部分是定子線圈銅損耗，另一部分是定子鐵心鐵損耗，因此，分別建立線圈模型及其支架模型。定子線圈的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是：定子繞組為雙層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體截面面積為10mm×4mm，采用成型線圈，絕緣材料等級為F級，建立的模型如圖1所示。

定子直徑大，線圈多，為減少仿真計算量，可以對定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化：將疊壓在一起的硅鋼片作為一個整體；繞組與槽之間、鐵心與絕緣材料之間的接觸比較緊密，忽略其接觸熱阻；根據(jù)幾何及邊界條件的對稱性，簡化后的有限元模型如圖2所示。

利用熱模塊分析時需要設(shè)置定子材料屬性，導(dǎo)體材料為紫銅，密度為8.889kg/m3，彈性模量為80kN/mm2，泊松比為 0.32，比熱容為390J/（kg· ℃），導(dǎo)熱系數(shù)為383W/（m· K），熱導(dǎo)率根據(jù)復(fù)合材料參數(shù)設(shè)定為42W/（m·℃）；硅鋼片比熱容為430J/（kg· ℃），導(dǎo)熱系數(shù)為42.5W/（m· K）；絕緣材料比熱容為 890J/（kg· ℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.165W/（m· K）。

采用有限元分析中常用的映射網(wǎng)格形式對風(fēng)力發(fā)電機定子進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到熱分析的準(zhǔn)確性及耦合間為直接耦合方式，選擇的網(wǎng)格劃分單元類型包括溫度場中的所有單元，模型一共建立了72個接觸對，劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

二、邊界條件設(shè)置

在對定子發(fā)熱量和定子熱對流及熱傳導(dǎo)研究的基礎(chǔ)上，對定子加載熱載荷和邊界條件。模型加載的邊界條件分別為：（1）已知邊界函數(shù)及界面溫度，利用有限元法給出其余熱溫度條件。（2）利用與線圈相接觸介質(zhì)的溫度和對流換熱系數(shù)設(shè)置介質(zhì)對流形式。

為使有限元更好地反映定子線圈內(nèi)部溫度變化的情況，應(yīng)保證線圈與絕緣體之間的充分接觸，在導(dǎo)體和絕緣材料熱導(dǎo)率恒定的前提下加載邊界條件。

發(fā)電機定子溫度場仿真時設(shè)定的邊界約束條件如下：

（1）定子線圈、絕緣材料與硅鋼片的換熱熱傳導(dǎo)系數(shù)由其材料屬性確定。

（2）定子線圈發(fā)熱量選取線圈通電時的最高發(fā)熱數(shù)值。

（3）將線圈發(fā)熱量以熱傳導(dǎo)的形式加載到絕緣體和硅鋼片的內(nèi)面上。

（4）在槽楔和硅鋼片的外面上加載熱對流。

三、發(fā)電機定子有限元結(jié)構(gòu)分析

利用有限元軟件分析求解定子瞬態(tài)溫度場的分布情況，將仿真溫度設(shè)定為機組運行的實際環(huán)境溫度（15℃），熱源只考慮定子線圈通電后的自身發(fā)熱。整體及不同部位的仿真分析結(jié)果如圖4所示。

表1 有限元法和現(xiàn)場PT100測量的定子線圈溫度分布結(jié)果對比

由圖4（a）定子整體發(fā)熱量分布云圖可知，發(fā)電機定子線圈與其相鄰絕緣體的發(fā)熱量最大，是定子熱源。由于線圈被絕緣材料和硅鋼片所包絡(luò)，與外部的熱交換小，不易散熱，故其溫度最高，為78.35℃。而在整體發(fā)電機定子發(fā)電過程中，槽楔部位溫度低，熱通量大。

有限元與實測結(jié)果對比分析

利用紅外輻射測溫儀FLUKE-62測量發(fā)電機定子支架溫度，實測溫度約為15℃。之后啟動發(fā)電機組，記錄機組自啟動至穩(wěn)定運行過程中定子溫升情況。有限元法和現(xiàn)場PT100測量的定子線圈溫度分布結(jié)果如表1所示。

由表可知，與現(xiàn)場實測結(jié)果相比，利用有限元法得出的定子溫度場數(shù)值略大。這是因為有限元法在建模過程中，只考慮了線圈、絕緣、硅鋼片的物理化參數(shù)，將絕緣漆、槽絕緣、層間墊條作為一個絕緣的整體進(jìn)行簡化，并未將三者有機聯(lián)系起來?？傮w來看，兩種方法的溫度相差不大，分析結(jié)果可接受。

結(jié)論

通過本文研究可知，利用有限元法分析風(fēng)力發(fā)電機定子正常運行條件下溫度場變化情況，得到的數(shù)值與現(xiàn)場實測的定子溫度場數(shù)值相差較小，因此，在此類分析中可以充分利用有限元法獲取發(fā)電機定子溫度。

由于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的安裝位置通常在60～100m的高空中，利用有限元仿真結(jié)合溫度傳感器現(xiàn)場實測的方法對發(fā)電機定子的溫度場研究有重要意義，不僅可以整體了解發(fā)電機定子的發(fā)熱、散熱情況，還能夠指導(dǎo)后續(xù)風(fēng)電機組定子絕緣、定子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作。