天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室、天津工業大學機械工程學院、瀋陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心的研究人員朱高嘉、劉曉明、李龍女、高聖偉、佟文明，在2019年第5期《電工技術學報》上撰文指出，隨着永磁風力發電機單機容量的不斷增大和電磁負荷的不斷提高，其冷卻結構的合理設計已成爲發電機研發過程中的重點與難點。

以一臺1.65 MW強迫風冷直驅永磁風力發電機爲例，基於計算流體力學和傳熱學理論，建立發電機全域三維流動與傳熱耦合模型，應用有限體積法數值分析發電機內的流動和溫升分佈狀態。針對強迫風冷結構需要外接風機而佔用系統空間大、清潔維護難度高的問題，提出一種由轉子輻板支架作爲離心式風扇驅動冷卻風的全封閉式自循環風冷系統。

通過不同冷卻結構尺寸下散熱性能的對比研究，給出了較適宜的發電機冷卻結構方案，對提高大型永磁風力發電機的運行可靠性具有一定的參考意義。

近年來，風能作爲一種清潔的可再生能源得到廣泛應用，風力發電已成爲全球增長最快的新能源。發電機是風力發電系統中的核心部件，永磁電機由於其高效、高功率密度等特點，近年來在以大型化爲發展趨勢的風電領域得到國內外學者廣泛關注。

隨着永磁風力發電機單機容量的不斷增大和電磁負荷的顯著提高，發電機的發熱與散熱問題已成爲制約其向更大容量發展的首要問題。電機長期運行過程中，過高的溫升會限制電機電磁性能、威脅絕緣可靠性甚至造成永磁體的不可逆退磁。爲了保證發電機長期安全運行，需要對其冷卻系統進行合理設計。由於電機冷卻能力直接受內、外部冷卻介質及其流動狀態的影響，對冷卻介質散熱特性的準確估計是電機分析和設計工作中的要點。

由於基於計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）的流固耦合（Fluid Structure Interaction, FSI）方法可實現電機內溫升分佈和流變特性的準確分析，隨着數值計算技術的發展和計算機性能的提高逐漸得到了研究人員的廣泛關注。相比於等效熱網絡法（Lumped Parameter Thermal-Network, LPTN）與有限元法（Finite Element Method, FEM），FSI方法直接數值模擬流體發熱與傳熱，計算精度較高。將FSI精確分析方法與冷卻流路的合理設計相結合的設計思路，已成爲大型永磁風力發電機冷卻結構設計工作中的重要手段。

文獻[10]採用FSI數值分析了通風結構和風道尺寸對一臺2.5 MW永磁風力發電機內冷卻氣體流動和電機溫升分佈的影響。文獻[11]從基於CFD的流場、溫度場耦合數學模型及邊界的建立與分析出發，仿真研究了空氣密度、來流風速、散熱筋排布、水冷管道排布對一臺1.5 MW風力發電機冷卻結構散熱能力的敏感性。

文獻[12]計算了一臺分數槽集中繞組永磁風力發電機耦合的流場及溫度場，分析了不同風道數及風道寬度下電機內風冷散熱性能，優選了合適的風道結構及尺寸，並提出了更高效的定子徑向風冷結構。文獻[13]建立了計及成型繞組及繞組間水管排布影響的三維精細CFD分析模型，通過對瞬態流場和溫度場數值分析，驗證了一臺1 000 MW核能發電機空—水混合冷卻結構的有效性。文獻[14]採用CFD模型分析了一臺高速永磁風力發電機耦合的流場和溫度場，分析了電機溫升分佈狀態，並提出了定子風道的三種改進結構。

本文以一臺1.65 MW永磁風力發電機爲例，數值分析電機內的流動和溫升分佈狀態，通過將數值計算結果與溫升實驗值進行對比分析，驗證計算結果的準確性和計算方法的可靠性。針對強迫風冷結構需要外接風機而佔據系統空間大、開放式風路易帶入粉塵造成阻塞等問題，提出一種由轉子幅板支架作爲離心式風扇驅動冷卻風的全封閉式自循環風冷系統，通過對流場及溫度場的數值分析驗證系統冷卻效果。

在此基礎上分析了冷卻結構參數對發電機溫升的敏感性，優選發電機適宜的冷卻結構尺寸。本文的研究工作爲改善大型永磁風力發電機的散熱能力、提高運行穩定性提供了參考。

圖1 永磁風力發電機基本結構與通風結構

圖6 1.65 MW發電機樣機基本結構

結論

本文通過對1.65 MW永磁風力發電機強迫風冷結構和提出的自循環混合通風冷卻結構散熱性能的數值研究，得出以下結論：

1）本文流場及溫度場耦合溫升數值計算結果與實驗測量值吻合較好，驗證了本文物理數學模型、簡化方法、邊界設置在大型永磁風力發電機發熱與散熱分析中的正確性。

2）針對現有強迫風冷結構佔用系統空間大、易帶入粉塵等問題，本文提出一種由轉子幅板支架作爲離心式風扇驅動冷卻風的全封閉式自循環混合通風冷卻結構。通過數值分析，驗證該冷卻結構可以實現發電機內部的有效散熱、均衡發電機溫升分佈，保證發電機長期穩定運行的可靠性，爲大型永磁風力發電機冷卻系統設計提供了參考。

3）混合通風冷卻結構中，隨着定子軸向風道尺寸的增大，發電機溫升呈現先降低後升高的趨勢。爲了保證冷卻結構的散熱效果，需要根據數值分析合理選取風道尺寸。