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【摘要】：伴随着永磁风力发电机的单个体的容量的持续增加以及其负荷的持续增大，就对永磁风力发电机的冷却结构提出了更高的要求，现在这一部分的冷却结构的设计变成了永磁风力发电机研究开发的重要环节。在该篇文章当中以一台一点六五MW的强迫风冷直驱的永磁风力发电机结合计算流体力学以及热传学的知识理论，建立了一个发电机全域的传热耦合模型。就强迫风冷结构的外部机组占地空间大、后期养护难度高等问题，研究出了一种全新的全封闭式的自体循环的风冷结构。在经过多次的不同风冷结构大小下的工作效率进行实验对比，提出了一个较为合适的发电机冷却结构，这就给大体积的永磁风力发电机的运行提供了坚实的冷却结构基础。
【关键词】：永磁风力发电机；风冷结构；发电机；强迫风冷直驱风力发电机
1.引言
最近几年，一种环保且可再生的绿色能源出现在人们的视野当中——风能。与此同时全球也将未来能源的研究方向指向了风力发电。发电机是整个风力发电系统的核心结构，永磁发电机拥有高效、高功率等特点出现在人们的视野当中，最近几年大型的永磁风力发电机成为了一个大的发展趋势引起了国内外各界学者的关注。
近些年伴随着永磁风力发电机的单个体的容量的持续增加以及其负荷的持续增大，就对永磁风力发电机的冷却结构提出了更高的要求，现在这一部分的冷却结构的设计变成了永磁风力发电机研究开发所面临的最重要的问题。在永磁风力发电机长期的运行当中，机组温度的逐渐升高会严重影响发电机机组磁力的性能，甚至会造成机组当中永磁体不可逆性质的退磁。只有科学合理的对永磁风力发电机的冷却系统进行设计才能保证发电机能够长久的运行工作。因永磁风力发电机的冷却系统的冷却能力受到内部以及外部冷却介质和气体流动状态的影响，对介质的散热性能进行精确的评估是整个工作的要点。
2.永磁风力发电机自体循环混合通风体系
2.1.永磁风力发电机冷却系统的组成与分析
强迫风结构经过外部接进来的风机来鼓进冷却风，并且需要在冷却结构机体的外壳附加上风罩来达到引风的目的。永磁风力发电机当中的冷却结构占据了比较大的空间结构。除此之外，在用强迫风冷结构进行冷却的时候，机组外部的空气作为冷却气体被导进电机冷却系统之中，在这一过程当中比较容易将空气中的粉尘带到永磁风力发电机冷却结构当中造成机器的堵塞这一问题。并且由于永磁风力发电机大多都运行在高空当中，这就使机器清洁的难度大大的提高。在风力发电机长期的运行当中，为了降低机器的维修成本，在该篇文章当中提出了一种由转子副板支架作为离心式风扇冷却的系统的全封闭式的混合通风冷却系统。虽然定子、转子中心的位置设置的口径增大了发电机纵向的长度，但是与传统的风机、风罩结构相比，其结构大小有了明显的减小。
自体循环的冷却风经过离心式风扇当中的幅板支架进行运作，冷却风经过定子铁心以及转子铁心的中间位置所打通的通风孔径，然后再经过原强迫风冷结构大同的轴向通风孔径进入永磁发电机的内部，吹拂冷却结构的两端的部件经过温升比较低的机壳以及发电机端盖的内部冷却之后冉回到幅板支架所围城的循环通风孔道。因为风冷的冷却气体再流过温升比较高的部分的时候会吸收结构部件的热量，而后再流经温升比较低的位置的时候会放出热量，进而就能够达到均匀温升的效果。
2.2.永磁风力发电机温度敏感性参数分析设计
2.2.1.定子纵向通风孔径的大小
根据特殊的计算公式计算可以得出永磁风力发电机的气体流场以及温度场的数学模型，计算得出不同程度之下的风道的宽度以及风力发电机内的耦合的流场以及温度场合的分布。伴随着纵向风道的宽度逐渐增大永磁风力发电机的温度呈现一种先升高而后降低的变化曲线，在定子风道孔径为二百毫米的时候，永磁风力发电机的机组温度最低。这是因为伴随着风道宽度的逐渐增大，发电机的自体循环式的风路的阻力逐渐减小，但是冷却风的量却在不断地增大，此时风力冷却系统的散热能力就在不断增强。此时，由于冷却气体的流量不断增大而使风路的摩擦损耗逐渐增大，这就不利于永磁风力发电机机组的散热。在风道孔径小于两百毫米的时候，风道孔径的增大对提升永磁风力发电机散热的性能要大于风速流量对于发电机风道宽度磨损所造成的不利影响的增大效果，从而发电机的温度就随着风道宽度的逐渐增大而逐渐变低。而在风道的宽度大于二百毫米之后，冷却气体流速流量对于发电机组的散热能力渐渐的达到了饱和，但是风磨耗的影响就变得更加明显，故而发电机机组的温度就会随着风道孔径的逐渐增大而逐渐增高。综上所述，取定子纵向的风道孔径为二百毫米最为合适。
2.2.2.幅板支架的宽度设计
经过经验公式计算可以得知，风扇在短距离的风量和风扇扇叶的宽度成正比，开路静压和扇叶的宽度没有直接联系，因此需要尽量增加作为离心式风扇扇叶幅板的宽度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但是由于幅板宽度的增加使得转子的质量得到大幅的增加，这就给永磁风力发电机转子的减重以及转动惯性的需求。为了能够满足发电机高效散热的同时达到风力发电性能的需求就需要合理的设计幅板的尺寸大小。因冷却风在风扇幅板上部的位置流出，但是幅板上部的宽度对风量的影响最大，在对于幅板支架宽度的设计当中应当取幅板上部的宽度作为铁心轴的纵向长度，计算得出幅板宽度分别是两百毫米、两百二十毫米、两百六十毫米、两百八十毫米、三百毫米、三百二十毫米、三百四十毫米、三百六十毫米、三百八十毫米、四百毫米时候的风力发电机的冷却风流量和温度逐渐上升。当幅板下缘的宽度在两百八十毫米之下的时候，幅板宽度的大小的增大对于永磁风力发电机散热结构的性能的影响比较大。当幅板下缘的宽度大于两百八十毫米的时候，这一影响因素对于风力发电机散热性能的影响就明显降低。故而取风力发电机幅板下缘宽度为两百八十毫米最为合适。
2.2.3.永磁风力发电机冷却系统结构设计参数下的电机温度变化
综上述两点对于永磁风力发电机冷却系统两个重要部分结构的参数分析，取得定子纵向的风道孔径为两百毫米、幅板下部边缘宽度为两百毫米的时候，自体循环发电机冷却系统下的电机整机温度的分布：发电机冷却风流量随着幅板下缘的宽度逐渐增加而增加，当幅板下缘的宽度达到二百八十的时候增加的幅度逐渐减小，当宽度三百五十毫米的时候趋于饱和。发电机的温度随着幅板下缘宽度的逐渐增加而逐渐降低，当宽度于三百五十毫米的时候趋于饱和。因混合风冷却结构的作用，永磁发电机的机组温度升高的比较均匀，在该篇文章当中所提出的全封闭式的自体循环混合风的冷却结构能够使得永磁发电机达到更加高效的散热，进而能够保证永磁发电机能够更加高效安全的运行。
在同样的计算条件和假设模型的情况之下，计算所得到的应用强迫风冷却系统与在该篇文章当中所提及的自体循环式的风冷系统的发电机内冷却风温度的升高程度相比要更低。在该篇文章当中所提及自体循环式的风冷结构能够达到绕组、定转子铁心以及发电机永磁体等各种发热体的直接冷却，发电机的温升仍然很难满足发电机长期运行的可靠性。除此之外，因为自循环风冷结构所占据的空间比较小、运行的需求比较低，故而对于大型的永磁发电机的风冷结构系统有着一定的参考意义。
3.永磁风力发电机强迫风冷结构结果分析
在该篇文章当中就一点六五MW的永磁风力发电机的强迫风冷结构以及在文中提出的自循环式的混合通风冷却结构散热效果的各项参数数值研究总结出了下列几点结论：
（1）该篇文章当中的流场和温度场的耦合温升数值计算结果和试验所得到的数据吻合度结果良好，这就表明了在该篇文章当中所建立的数学模型以及设计的简化方式、实验结果边界数据的选择在大体积的永磁风力发电机当中可运用的可靠性。
（2）就永磁风力发电机当中的冷却结构占据了比较大的空间结构，以及在用强迫风冷结构进行冷却的时候，机组外部的空气作为冷却气体被导进电机冷却系统之中，在这一过程当中比较容易将空气中的粉尘带到永磁风力发电机冷却结构当中造成机器的堵塞这两个问题。在上述文章当中提出了一个用转子幅板支架当作离心式风扇驱动的冷却风的全密闭式的自体循环式的混合通风的冷却结构。经过具体的试验数据分析能够核实这种全密闭式的自体循环式的冷却结构是否能够使永磁风力发电机的内部快速的散热、使得发电机内部温度均匀的分布，进而保证永磁风力发电机在高空的工作能够长期有效的进行。这一项模型的提出对大体积的永磁风力发电机冷却系统的设计提供了可靠的参考。
（3）在混合通风冷却系统当中，当定子纵向风道孔径逐渐增大的时候，永磁风力发电机的内部温度呈现出一个先降低然后升高的趋势。随着幅板支架下缘的宽度逐渐增大，发电机的通风流量逐渐上升、温度逐渐下降。为了使永磁发电机风冷结构能够拥有一个更加高效的冷却散热效果，就需要根据试验的数据计算出一个科学合理的混合通风冷却系统参数。
结语：近年来随着我国城市化发展的不断推进，居民以及工业用电量也在不断增加。随之而来的就是可用能源的逐渐消耗，故而可再生能源利用技术的发展就显得比较迫切。在该篇文章当中提出了几种可参考的永磁风力发电机冷却系统的模型。以期能够给我国新能源利用行业的进展提供一定的动力。
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作者简介：李强（1993-），男，汉族，籍贯：山西省运城市，专科，助理工程师，主要从事风力发电行业。
论文作者:李强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/24
标签：永磁论文; 风力发电机论文; 发电机论文; 结构论文; 宽度论文; 风道论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第35期论文;