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作為一種可再生的清潔能源，海上風(fēng)能越來越受到人們的青睞，尤其是風(fēng)力發(fā)電。永磁體在高溫的環(huán)境下容易失去磁性，因此永磁體的散熱是一個需要解決的問題。對電機(jī)進(jìn)行溫度場分析可以很好地指導(dǎo)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。有限元分析法、熱路法以及簡化公式法是電機(jī)溫度場的主要計算方法，目前普遍采用的是有限元分析法。

電機(jī)溫度計算的難點在于必須先根據(jù)流體場分析確定不同情況下的電機(jī)各個部分的散熱系數(shù)。在外加強(qiáng)迫冷卻時，電機(jī)的這些參數(shù)除了和電機(jī)材料本身的參數(shù)有關(guān)以外，還和電機(jī)風(fēng)路設(shè)計密切相關(guān)，特別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和氣隙之間的的傳熱系數(shù)，需要大量的公式推導(dǎo)計算才能確定下來。

沈陽工程學(xué)院的研究人員利用流固耦合共軛傳熱的原理通過判別流體氣隙的流動狀態(tài)，算出氣隙層的等效熱導(dǎo)率◆e，并根據(jù)經(jīng)驗公式算出電機(jī)主要部分的損耗。最后，以一臺10MW永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)為例，在管道入口處通以不同水流速，對電機(jī)進(jìn)行溫度場分析，并進(jìn)行對比，驗證方法的有效性。

圖1 電機(jī)水冷計算模型

研究人員得到以下結(jié)論：

1）基于流體場和溫度場耦合分析可以較為準(zhǔn)確地估計電機(jī)溫升，為電機(jī)的設(shè)計提供依據(jù)。

2）定轉(zhuǎn)子之間的空氣層熱阻較大，所以此處溫度梯度很大，最高溫度部分出現(xiàn)在繞組和定子的頂部。此外定子由于水冷的作用出現(xiàn)了明顯的溫度下降，驗證了水冷方式是大型電機(jī)的有效冷卻方案。

3）隨著入口水流速增加，最高溫度繼續(xù)降低的趨勢逐漸變緩，但水管的壓降明顯增加，所以在設(shè)計時要考慮經(jīng)濟(jì)性。

4）基于流固耦合對一臺10MW外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)進(jìn)行分析計算，分析得出當(dāng)冷卻流速控制在1m/s時，即可滿足電機(jī)溫升要求；計算證明外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用定子水冷能夠滿足大容量電機(jī)溫升安全運行的要求。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于流固耦合的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳熱分析”，作者為邢軍強(qiáng)、汪明武、孔瑩瑩。