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基于流固耦合的永磁直驱风力发电机传热分析海上的风力发电已经逐渐地变成一种大趋势。

一、案例简介

海上的风力发电已经逐渐地变成一种大趋势。大功率的电机对装置的散热要求很高，因此对电机进行温度场分析可以很好的指导电机冷却系统的设计。强迫水冷电机与自然风冷电机相比具有散热效果好、噪声产生少，以及更高的使用寿命等优点。本项目以一台外转子永磁直驱风力发电机组为研究对象，基于流固耦合和共轭传热的分析方法，利用Ansys软件对电机在正常工作下进行温度场分析，从而得到电机内部主要部件的温度分布。最终，通过对一台10MW外转子电机流固耦合分析，对比计算不同冷却水流速下的电机温升分布，得出冷却流体流速与电机温升的关系曲线，为电机冷却设计提供参考。

二、技术要点

本项目通过流固耦合共轭传热的原理通过判别流体气隙的流动状态，算出气隙层的等效热导率λe，并根据经验公式算出电机主要部分的损耗。最后以一台10MW永磁直驱同步发电机为例，在管道入口处通以不同水流速，对电机进行温度场分析，并进行对比，验证方法的有效性。

三、应用场景

永磁直驱风力发电机

四、应用成效

本项目通过电机传热的基本原理，计算了定子绕组损耗、铁心损耗以及永磁体涡流损耗。以一台10MW永磁同步发电机为例，给出了水冷电机的模型，基于流固耦合进行温度场分析，可得到以下结论： （1）基于流体场和温度场耦合分析可以较为准确估计电机温升，为电机的设计提供依据。 （2）定转子之间的空气层热阻较大，所以此处温度梯度很大，最高温度部分出现在绕组和定子的顶部。此外定子由于水冷的作用出现了明显的温度下降，验证了水冷方式是大型电机的有效冷却方案。 （3）随着入口水流速增加，最高温度继续降低的趋势逐渐变缓，但水管的压降明显增加，所以在设计时要考虑经济性。 （4）基于流固耦合分析对一台10MW外转子永磁电机分析计算，分析得出当冷却流速控制在1m/s时，即可满足电机温升要求；计算证明外转子结构永磁风力发电机采用定子水冷能够满足大容量电机温升安全运行的要求。