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基於流固耦合的永磁直驅風力發電機傳熱分析海上的風力發電已經逐漸地變成一種大趨勢。

一、案例簡介

海上的風力發電已經逐漸地變成一種大趨勢。大功率的電機對裝置的散熱要求很高，因此對電機進行溫度場分析可以很好的指導電機冷卻系統的設計。強迫水冷電機與自然風冷電機相比具有散熱效果好、噪聲產生少，以及更高的使用壽命等優點。本項目以一台外轉子永磁直驅風力發電機組為研究對象，基於流固耦合和共軛傳熱的分析方法，利用Ansys軟件對電機在正常工作下進行溫度場分析，從而得到電機內部主要部件的溫度分布。最終，通過對一台10MW外轉子電機流固耦合分析，對比計算不同冷卻水流速下的電機溫升分布，得出冷卻流體流速與電機溫升的關係曲線，為電機冷卻設計提供參考。

二、技術要點

本項目通過流固耦合共軛傳熱的原理通過判別流體氣隙的流動狀態，算出氣隙層的等效熱導率λe，並根據經驗公式算出電機主要部分的損耗。最後以一台10MW永磁直驅同步發電機為例，在管道入口處通以不同水流速，對電機進行溫度場分析，並進行對比，驗證方法的有效性。

三、應用場景

永磁直驅風力發電機

四、應用成效

本項目通過電機傳熱的基本原理，計算了定子繞組損耗、鐵心損耗以及永磁體渦流損耗。以一台10MW永磁同步發電機為例，給出了水冷電機的模型，基於流固耦合進行溫度場分析，可得到以下結論： （1）基於流體場和溫度場耦合分析可以較為準確估計電機溫升，為電機的設計提供依據。 （2）定轉子之間的空氣層熱阻較大，所以此處溫度梯度很大，最高溫度部分出現在繞組和定子的頂部。此外定子由於水冷的作用出現了明顯的溫度下降，驗證了水冷方式是大型電機的有效冷卻方案。 （3）隨着入口水流速增加，最高溫度繼續降低的趨勢逐漸變緩，但水管的壓降明顯增加，所以在設計時要考慮經濟性。 （4）基於流固耦合分析對一台10MW外轉子永磁電機分析計算，分析得出當冷卻流速控制在1m/s時，即可滿足電機溫升要求；計算證明外轉子結構永磁風力發電機採用定子水冷能夠滿足大容量電機溫升安全運行的要求。