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1、专业好文档大型永磁风力发电机定子温度场改进的研究 何山1, 王维庆*1, 王雪飞2, 赵祥 3 (1.新疆大学北校区电气工程学院，乌鲁木齐市西北路134号 830008； 2.新疆职业大学，乌鲁木齐市北京北路1075号 830011；3新疆金风科技股份有限公司，乌鲁木齐市上海北路107号 830026 )摘要：本文建立了金风62 型（1.2MW）永磁同步风力发电机的二维温度场的数学和物理模型，给出了计算边界条件和分析假设条件，以一个槽所对应的电机计算区域，利用有限元方法计算了发电机的定、转子温度场。提出了改进温度分布的措施：详细分析了绕组线棒绝缘厚度减小、匝间绝缘老化致使导热系数减小、铁心各向
2、异性导热系数提高等参数改进对于发电机温度场的影响。根据以上计算结果提出了优化改进温度场分布的具体可行性意见，为发电机优化设计、运行温度监控提供了参数，并可以作为故障诊断的依据。关键词：永磁发电机；温度场；绝缘；铁心；中图分类号：TM614 文献标识码：A0 引言目前大型风力发电机单机容量不断增大，对温度场的计算准确度要求不断提高。热负荷过大，会危及机组的安全运行；过小的热负荷，则导致电机没有得到充分利用。温度场的准确计算以及影响温度场的相关因素的正确分析，对于充分利用材料,降低成本,提高效率,保证机组安全运行十分必要1。目前，国内外学者已发表了相关文献25，为电机制造和电力运行部门的工程技术人
3、员提供了一些参考建议和意见。在文献3中，有提及股线绝缘导热系数变化对定子温度场的影响，大多使用三维等参元法或者等效热路法进行计算，往往采用忽略或者是等效的做法，但未研究在满足电场强度、击穿电压、介质损耗、机械强度等条件下，发电机线棒绝缘厚度变化以及铁心导热性能改善对于温度场的具体效果；以上研究体现了准确确定由于绝缘和铁心材料性能变化对温度分布的影响，目前还较困难。鉴于此，本文利用先进的有限元计算方法，以金风62型（1.2MW）永磁直驱风力发电机为例，建立了定子某一槽所对应的电机的定、转子区域（包括各种主要的电机材料及气隙）的模型，采用4节点单元对求解域进行了剖分，对发电机绝缘厚度、绝缘导热系数
4、和铁心导热系数变化对温度场的影响进行了较为准确的计算，得到了一些发电机温度场改进和优化的有益结论和措施。1 大型永磁同步发电机定子温度场的理论分析1.1稳态热传导方程及其等价变分边界条件有内部热源时具有各向异性介质的稳态固体的热传导方程4： (1)式中 为热传导率，即导热系数； q 为内部热源密度， W/m2 。在直角坐标系下，该方程可写为： (2)温度场分析的边界条件：（1）第一类边界条件： (3)式中Tc为面S1的环境温度已知值。基金项目：教育部博士点专项基金项目（编号：20060755001）；新疆大学校院联合项目。（2）第二类边界条件：边界上热传导为已知值q0（向外），即其边界的法向温
5、度梯度已知。当q0=0 时，此面上无热传导，称为绝热边界条件： (4)式中 q0 为面S2 上的边界热流输入； 为垂直于物体表面的热传导率。（3）第三类边界条件：边界S3 上从物体内部传到边界上的热流量与通过该边界散到周围介质中的热流量相等，即： (5) 式中 Tf 为周围介质温度；a为散热系数。由变分原理可知，方程（2）可写为如下的等价变分方程： （6）SQ ：第三类边界条件（散热面）； Tf为SQ 面周围流体的温度。1.2 基本假设条件的确定为计算方便，在温度场求解过程中，假设3，5：（1）认为位于同一定子槽中的上下层绕组是同相的，在同一时间内流过相同的电流；（2）涡流效应对每根股线的影响
6、相同，故定子绕组铜损取其平均值；（3）只考虑绕组槽内部分，不考虑绕组的端部；（4）结构对称，认为槽中心面和齿中心面是绝热面；（5）槽内的绝缘材料种类较多，导热系数与导体和导体在槽中的排列方式、浸漆工艺、绝缘漆的成分有关，认为所有绝缘材料（匝间绝缘、层间绝缘、槽底绝缘、槽顶绝缘）的热性能均相同，且各向同性；2 金风62型永磁同步发电机温度场的计算2.1 发电机基本数据和结构金风62型永磁同步发电机，PN1.2MW；Y接，功率因数cosN0.85；UN690V；nN20r/min；定子铁心长度Lt850mm；转子铁心外径Do4600mm；转子铁心内径Di4500mm，定子槽数Z576，极对数p48
7、，采用外转子(外部的磁钢旋转)，内定子结构，由流动的空气对定、转子部件进行冷却。外转子结构主要考虑有利与永磁体的散热冷却和电机转动更加平稳，但内部定子绕组的受热情况则相对恶化。考虑计算的快速性、代表性和全面性，取电机一个槽所对应的定转子铁心、绕组、磁钢（永磁体）、槽楔、所有绝缘及气隙在内的局部建模作为计算区域，如图1所示。 表1各种材料的导热系数Tab.1 heat exchange coefficient of material 图1一个槽对应区域的结构图 Fig.1 Structure of PMG corresponding one slot2.2发热分析定子铁芯的热源主要来自两方面：绕
8、组铜耗和铁芯损耗。铁耗在电机总损耗中占的比例一般很小，对电机定子温升影响不大，可以根据电磁计算，求得铁芯中的磁场分布，并利用提供的损耗曲线求得；铜耗大小与流经绕组的电流密度大小密不可分，是温度分析的重点；绕组外部包有较厚的绝缘材料（PES和聚酯薄膜粉云母带），导热系数较小，加之又有层间绝缘、槽顶和槽底绝缘，并且槽中打入的槽楔的导热性能也较差(电机计算时所用的各种材料的导热系数见表1)，这一切都对绕组的受热分析提出了迫切要求。另外计算电机的效率也需要准确计算发热。转子转速由于和磁场间保持同步，所以在转子轭和磁钢中的发热很少，几乎可以忽略不计。定子绕组热量的散失 ：一部分热量经过绝缘材料传导至气隙
9、处的定子表面，由气隙中的冷空气带走6；另一部分热量经过绝缘材料传递给定子轭部铁心，传导至定子的空心轴部位，由冷空气带走。因此绕组导体、绝缘材料、铁心间均有较大的温差。发电机地处风场，风速较大，空气的流动性较好，冷风流经定、转子表面时会带走产生的大量热能；加之电机的轴向长度较小(1.0m左右)，可以认为温度场在轴向方向均匀分布；加之电机的温度不是很高，所以热分析主要考虑热对流和热传导的作用。以下的计算中：认为槽中心面和齿中心面是绝热面， ；冷风温度取T0= 25。根据发电机的电流密度和绕组的电阻值，对电机的绕组导体施加生热率负荷。定子轭和转子轭边缘施加温度边界条件35，以下的计算中认为绕组中的电
10、流密度和热负荷大小不变，利用二维有限元法进行计算分析。2.3计算和改进的结果首先对目前实际运行的电机的温度场进行了仿真计算；其次对采用材料的导热系数和绝缘厚度改善的温度场进行了计算。绝缘处于电机的心脏部位，非常关键。电机事故的绝大多数（约70以上）与绝缘有关。高压大电机对绝缘性能的要求很广，包括电气、机械、热学和化学等方面。材料的电场强度、击穿电压、介质损耗、机械强度、耐磨性能、导热能力、耐热能力等指标必须得到保证。对于空气冷却的风力发电机来说主要在提高绝缘的导热系数和电场强度、减小绝缘厚度，提高铁心的导热系数等方面进行计算工作7。2.3.1采用现有材料的电机的温度场根据发电机现有的各种材料和
11、导体中的电流密度值，给导体施加生热率负荷，转子轭、定子轭表面施加恒定温度边界条件，认为冷风温度25，进行计算，结果如图2。 图2 温度云图和曲线（实际电机） 图3 匝间绝缘老化时温度云图和曲线（路径为从转子轭至定子轭） Fig.3 Temperature nephogram andFig2 Temperature nephogram temperature curve when insolution agingAnd temperature curve(actual generator)（path from rotor yoke to stator yoke ）2.3.2匝间绝缘老化或绝缘导热
12、系数提高时的温度场在电、热、机械、化学和微生物等因素共同作用下，绕组内匝间绝缘会出现逐步老化，导热系数下降，严重的老化会使匝间绝缘出现炭化现象，最终导致匝间或相间短路，烧毁定子绕组。为此，有必要通过数值方法研究定子绕组内匝间绝缘老化后定子温度场的变化情况，为电机的检测提供依据。仿真分析定子上层线棒第4 根和第5 根(上层线棒共有8根导体)导体之间的绝缘导热系数只是正常绝缘材料导热系数的1/50 时的定子温度场。计算结果表明：对比图2，绝缘老化导致绝缘材料导热系数变小对温度分布几乎无影响，定子绕组的最高温度仅升高1.67，变化很小，如图3所示，同理可以计算如果绝缘老化发生在下层边时的温度场，结论
13、类似，在此不一一列举。另外可以计算绝缘材料导热系数提高（设导热系数提高为目前的两倍）时的温度场，结果见表2。2.3.3线棒绝缘材料厚度减小的温度场从理论上考虑：减小发电机线棒绝缘材料的厚度，可以改善绕组散热效果，提高槽满率，增加电负荷，是发电机增容的理想方法，但是尚不清楚减小线棒绝缘厚度和改善温度场效果之间的关系。现有绝缘的介电强度较高，完全能够满足发电机运行对耐压指标的要求，重新建立线棒绝缘和匝间绝缘厚度较目前发电机减小一半的模型，绕组的铜耗不变，作仿真计算，发现线棒绝缘和匝间绝缘即使同时减小一半，电机最高温度仍然可达52.0，仅比不改变绝缘厚度前降低6.6 （见表2）。表2 计算与实测温度
14、比较 Tab.2 Temperature comparation of calculation and truely measure 2.3.4铁心导热性能提高后的温度场铁心作为热量传导的重要路径，它的导热系数的改进提高十分重要。目前的硅钢片材料采用冷轧工艺，沿轧制方向的导热能力较好，垂直轧制方向的导热能力较差。为了使散热效果较好，电机的径向一般为硅钢片的轧制方向，如果硅钢片的导热性能改善（取KXX=2.4， KYY=50），进行仿真计算，温度场数值如表2。3 计算与实测结果的比较与分析出于安全考虑，发电机的绝缘材料在目前实际的电机制造过程中不会采用老化的绝缘或者减小绝缘厚度，目前使用的硅钢片
15、基于成本和制造工艺也都不会改换，所以为验证计算方法的准确性，对永磁发电机多种材料改善的温度场进行了计算，并与目前现场温度实测值进行了比较。（1）试验运行工况的基本数据：有功功率1.2MW；无功功率经补偿为10kvar；定子电压690V；定子电流1.02kA；风速V12m/s；电机连续运行6小时以上；（2）边界条件：铁心和线圈中心面为绝热面；冷风温度T0=25；定、转子轭表面温度35。（3）冷却试验工况计算与实测结果。试验工况下根据预先埋设在电机绕组内的PT100测温装置读取实测数据，计算与实测的温度值比较如表2所示，计算所得温度与实测值基本符合。计算值与实测值相比偏小，其原因除测量精度等因素外
16、，还因对模型作了简化，认为电机的轴向传热良好，没有考虑电机绕组端部发热，假设气隙中空气流动良好，实际受电机结构的影响，空气存在流动不佳的情况，从实测值可见铁心温度的测量值分散性较大。4 结论（1）通过建立的永磁发电机一个槽所对应的局部模型 ，较为全面地体现了电机定、转子的整体结构，进行数值仿真，获得了相应的温度场分布；（2）定子线棒绝缘及匝间绝缘老化后导热能力下降，采用实际绝缘恶化后的导热系数，改变了以往对绝缘进行分析时整体等效的做法，更加贴近实际情况。发现无论是在上层边或者下层边发生老化，绝缘老化对温度分布影响很小，绕组内部的温升变化不到2，几乎可以忽略；而提高绝缘的导热系数可以较为明显的降
17、低温升； （3）采用传统的热电偶检测手段无法检测到匝间绝缘的老化程度，应从电场强度变化等其他方面进行监测，进行绝缘老化后电场变化等方面的研究，着重研究绝缘老化引起的绝缘击穿问题；（4）在满足电气性能的基础上，如果同时减少现有线棒绝缘和匝间绝缘厚度一半，最高温度仅下降6.6，而在现有绝缘基础上减少绝缘厚度一半实际是很难做到的，所以减少绝缘的厚度的方法相对不可取；如果能够提高绝缘材料的导热系数（假设绝缘导热系数提高为0.32W/m.k ，最高温度为53.5（见表2），则可以明显改善温度场分布；（5）铁心硅钢片的导热系数对电机的性能影响很大：导热系数KXX, KYY越大，散热效果越好。提高导热系数是
18、改善散热的重要途径。参考文献：1 丁舜年大型电机的发热与冷却M北京：科学出版社，19922 李力伟 等大型水轮发电机转子温度场的有限元计算及相关因素的分析J中国电机工程学报, 2002,22 (10)：85903 王延安，候云鹏，李伟力大型水轮发电机定子绕组内股线绝缘热老化下的定子温度场计算J大电机技术, 2002,01：8124 姚若萍，饶芳权蒸发冷却水轮发电机定子温度场研究J中国电机工程学报 Vol.23 No.6 Jun 2003，87905 丁树业，李伟力，靳慧勇大型同步发电机排间绝缘对定子三维温度场的影响J哈尔滨工业大学学报，Vol.38 No.8 Aug 2006，1281-128
19、46 魏永田电机内热交换M北京：机械工业出版社, 19987 陈志华大中型电机新绝缘的开发利用J上海大中型电机 2005.04：2225Study of stator temperature field amelioration about large-scale permant magnent generator(PMG) in wind power He Shan1 , Wang Weiqing1, Wang Xuefei2, Zhao Xiang3 (1.College of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi ,Xinji
20、ang 830008,Chin；2.Xinjiang professi-on University,Urumqi ,Xinjiang 830011,China;3. Gold Wind Science Technology Co,LTD Shang Hai North-road 107, Urumqi, Xinjiang 830026, China)Abstract:Create Jinfeng 62 (1.2MW) temperature model of mathematics and physics about permanent magnent synchronous generato
21、r in wind power, present basic hypothesis and boundary condition .select area that one slot opposite to calculate,utilize FEM(finite element method) calculate roter and stator temperature field. bring forward actual method,carefully analyse the result to generator temperature field, for example redu
22、ce coil insulation thickness, decrease conduction coefficient because insulation aging between circle , increase iron-core anisotropism conduction coefficient .Base on upwards content, bring forward the feasibility advance to optimize temperature field ,offer parameter to optimize design ,inspect co
23、urse temperature ,as the proof for failure diagnosis.Key Words: permanent magnent generator, temperature field, insulation ,iron-core作者简介：何山（1974），男，江苏金坛人，博士生，从事电机教学和科研工作，研究方向为洁净能源及其控制技术。通信地址：新疆大学北校区电气工程学院，邮编：830008，Email： TEL：13579281309王维庆（1959），男，教授，博导，通信作者，Email：。Editors note: Judson Jones is a
24、meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hea
25、r the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on th
26、e shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anx
27、ious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up the
28、re Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I f
29、eel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will nev
30、er reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew
31、it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappo
32、inting news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsu
33、le attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) a
34、nd into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, h
35、e will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It w
36、ill be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But th
37、is will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000
38、 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed
39、that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.9