段志強，逯佳寧，何慶峰，項 尚

(1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，西安710016；2.西安中車永電捷力風(fēng)能有限公司，西安710018)

0 引 言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和資源保護(hù)日益被重視，風(fēng)能作為一種清潔能源逐漸受到世界各國的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，世界風(fēng)能總量約為2.74×109MW，其中可供人類開發(fā)的風(fēng)能約為2×107MW。而我國可開發(fā)風(fēng)能潛力亦十分巨大[1-2]，特別是5～25 m的近海區(qū)域，海拔50 m高度處風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量可達(dá)2×108kW，海拔70 m高度處風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量可達(dá)5×108kW。相比陸上，海上具有風(fēng)能資源豐富、單機(jī)容量高及噪聲影響小等優(yōu)點，逐漸成為風(fēng)電領(lǐng)域關(guān)注的焦點。

目前，海上風(fēng)電建設(shè)和維護(hù)成本高，可用于維護(hù)工作時間窗口期短等特殊的應(yīng)用環(huán)境嚴(yán)重制約了海上風(fēng)電的發(fā)展。針對海上風(fēng)電發(fā)展中暴露出的問題，采用單機(jī)大容量機(jī)組可有效降低整機(jī)成本，并充分考慮機(jī)組可靠性和可維護(hù)性以降低后期維護(hù)成本。鼠籠異步發(fā)電機(jī)因為結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠、使用壽命長、維護(hù)方便和適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，成為海上大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)選解決方案之一[3]。對于大功率籠型異步發(fā)電機(jī)，良好的的溫度特性是發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]以軸向和徑向混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)的4.25 MW籠型異步發(fā)電機(jī)作為分析對象，重點研究了發(fā)電機(jī)工作時通風(fēng)流量和溫度分布等傳熱特性，結(jié)果表明良好的冷卻系統(tǒng)及準(zhǔn)確的溫度預(yù)測對發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。文獻(xiàn)[5]針對鼠籠異步發(fā)電機(jī)損耗大和溫升高問題展開了分析，根據(jù)電磁力徑向力波確定磁性槽楔的選用，改變轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化電機(jī)溫升問題。文獻(xiàn)[6-9]對鼠籠異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行和功率輸出進(jìn)行了控制策略的研究。

通過以上國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，針對適用于海上運行的大功率鼠籠異步發(fā)電機(jī)，其電磁設(shè)計特點和冷卻系統(tǒng)等相關(guān)研究的文獻(xiàn)尚存在不足。本文以一臺6.1 MW海上籠型異步發(fā)電機(jī)作為研究對象，進(jìn)行了電磁設(shè)計與冷卻系統(tǒng)分析。對所設(shè)計方案的負(fù)載電磁特性進(jìn)行了有限元分析，同時根據(jù)流體力學(xué)理論提出了外部空冷和內(nèi)部風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻方案，在Ansys Maxwell中通過建立3D有限元模型對溫度特性進(jìn)行了分析，并設(shè)計了一臺6.1 MW樣機(jī)，通過例行試驗、型式試驗及與變頻器進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗，驗證了有限元分析的合理性，為海上大功率籠型異步發(fā)電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化提供了有效的支撐。

1 發(fā)電機(jī)設(shè)計方案

為便于研究大型鼠籠異步發(fā)電機(jī)電磁特性和溫度特性，本文設(shè)計了一臺3相4極6.1 MW的鼠籠異步發(fā)電機(jī)。該電機(jī)由風(fēng)輪、增速箱通過聯(lián)軸器驅(qū)動，定子通過全功率變頻器控制向電網(wǎng)饋電。6.1 MW鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1647 r/min，定子額定電壓1140 V，定子額定電流3120 A，電機(jī)為三相四極電機(jī)，氣隙小于5 mm，同時采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片。

表1 鼠籠異步發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)

2 電磁特性分析

成型線圈定型后尺寸不易發(fā)生改變，由于附加絕緣材料，使其絕緣強度高于散繞線圈。考慮到成型線圈的電氣性能和工藝技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子繞組基本都采用成型繞組，因此本文籠型異步發(fā)電機(jī)的定子線圈采用成型繞組。定子槽型的選型同樣影響電機(jī)性能，通常閉口槽漏抗較大、啟動轉(zhuǎn)矩和空載因數(shù)低，繞組絕緣包扎和嵌線工藝較為復(fù)雜，大型電機(jī)槽型通常選用開口槽或半開口槽。本文對定子開口槽和半開口槽的參數(shù)進(jìn)行對比，如表2所示，可以看出半開口槽相比開口槽的槽口減小，其齒部對主磁通磁阻小，勵磁電流降低，使其空載電流降低19.77%，功率因數(shù)提高1.22%，效率提高0.0133%。

表2 定子開口槽與半開口槽的參數(shù)對比

綜合考慮定子繞組成型線圈的嵌線工藝需求和為滿足鼠籠異步發(fā)電機(jī)的性能要求，該發(fā)電機(jī)的定子槽型采用半開口槽，其槽型如圖1所示。

圖1 定子半開口槽型

為了獲得所設(shè)計鼠籠異步發(fā)電機(jī)的電磁特性，本文在電磁場仿真軟件中建立了發(fā)電機(jī)的2D有限元模型。在建模時假設(shè)：

(1)忽略發(fā)電機(jī)機(jī)殼外磁場；

(2)忽略集膚效應(yīng)對導(dǎo)體上電流密度影響，假設(shè)其呈均勻分布；

(3)不考慮磁滯效應(yīng)對鐵心渦流效應(yīng)的影響[10]；

(4)假設(shè)發(fā)電機(jī)鐵心的軸向方向為無限長，磁場方向垂直于軸向。

通過有限元分析可以得到鼠籠異步發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁通密度分布如圖2所示。通過圖中分析可以知道，定子的齒部磁密Bis約為1.5 T，定子的軛部磁密Bfs約為1.6T，轉(zhuǎn)子的齒部磁密Bir約為1.2 T，轉(zhuǎn)子的軛部磁密Bfr約為0.7 T，均低于鐵心的磁通飽和密度1.9 T。

圖2 負(fù)載磁密云圖

氣隙磁密波形如圖3所示，基波最大磁密為0.79 T。定子齒部磁密曲線如圖4所示，最大磁密為1.56 T。轉(zhuǎn)子齒部磁密曲線如圖5所示，磁密最大值為1.33 T。

圖3 氣隙磁密波形圖

圖4 定子齒部磁密曲線

圖5 轉(zhuǎn)子齒部磁密曲線

同時，建立2D有限元模型，分析了在額定負(fù)載條件下籠型異步發(fā)電機(jī)的損耗和效率，如表3所示。從表3中可以看出，銅耗占總損耗的25%以上，鐵心損耗所占的總損耗比例約為24%，考慮變頻器的影響，附加損耗占總損耗的比例最大，約為52%。本電機(jī)的總損耗為145.51 kW，效率為97.66%。

表3 額定工況下運行的損耗分布

發(fā)電機(jī)空載仿真實驗中空載感應(yīng)電勢U0為1126.7 V，如圖6所示。圖中波形比較光滑，無明顯鋸齒現(xiàn)象，說明諧波分量較小。

圖6 空載感應(yīng)電勢

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計及溫度場分析

大功率籠型異步發(fā)電機(jī)功率密度高、損耗大，為了使定轉(zhuǎn)子保持理想的工作溫度，本文設(shè)計了電機(jī)上部安裝空空冷卻器結(jié)合轉(zhuǎn)子上安裝混流內(nèi)風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)包含2個通風(fēng)結(jié)構(gòu)，一個是如圖7(a)所示的轉(zhuǎn)子上混流風(fēng)扇，主要在轉(zhuǎn)子軸向上進(jìn)行流動散熱；另一個是如圖7(b)所示的發(fā)電機(jī)頂部空空冷卻器，冷卻器無頂驅(qū)，采用雙路循環(huán)徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，頂部空冷器由機(jī)艙外直接進(jìn)風(fēng)，完成內(nèi)部熱交換后通過出風(fēng)道排除機(jī)艙外?？傮w設(shè)計方案如圖7(c)所示。

圖7 冷卻方案

冷卻系統(tǒng)工作時，風(fēng)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻時呈現(xiàn)為湍流風(fēng)特性，空氣從進(jìn)風(fēng)口的冷風(fēng)到出風(fēng)口的熱風(fēng)這一過程滿足能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，可得湍流風(fēng)的數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

式中，ρ為空氣密度；ε為單位質(zhì)量的空氣湍流時脈動動能的耗散率；t為時間；vk為單位質(zhì)量的空氣速度矢量；η、ηt依次為空氣黏性系數(shù)、湍流黏性系數(shù)；σk、σε為常數(shù)，通常分別取1、1.3；c1、c2為常數(shù)，通常c1≈1.44、c2≈1.92；k為單位質(zhì)量的空氣湍流時脈動動能；X為空間直角坐標(biāo)系下x軸；i、j、k依次為x、y、z三個方向的矢量方向。

在保證計算精度、計算耗時及穩(wěn)定性的前提下，考慮發(fā)電機(jī)的運行工況，根據(jù)發(fā)電機(jī)的工作特性，邊界條件設(shè)置如下：

(1)由于發(fā)電機(jī)的工作位置在海拔1000 m以下的海上，空冷器進(jìn)風(fēng)直接為機(jī)艙外的海上空氣，其環(huán)境溫度為50℃；

(2)空冷器一次側(cè)總質(zhì)量流量為3.6 kg/s，二次側(cè)流量為8.1 m3/s；

(3)電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1647 r/min；

(4)銅耗和鐵耗分別選用表3所示的電磁損耗結(jié)果。

圖8為發(fā)電機(jī)整機(jī)截面溫度場圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)高溫主要集中在定子繞組、定子鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和鐵心中部偏非傳動端位置處。

圖8 整機(jī)截面溫度場

圖9為定子鐵心溫度分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn)最高溫度位于定子鐵心2號至8號徑向通風(fēng)槽之間，最低溫度位于定子鐵心17號至18號徑向通風(fēng)槽之間。

圖9 定子鐵心溫度

圖10為定子繞組溫度分布，從定子繞組溫度分布上可以發(fā)現(xiàn)定子繞組兩端溫度低，槽內(nèi)繞組部分溫度高且呈梯度變化，與定子鐵心溫度變化規(guī)律相同。表明兩端散熱條件較好，其溫度低于槽內(nèi)繞組部分溫度。

圖10 定子繞組溫度

對比圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，定子繞組最高溫度低于相對應(yīng)的定子鐵心最高溫度，最低溫度高于相對應(yīng)的定子鐵心溫度。表明由于材料不同使繞組和鐵心導(dǎo)熱系數(shù)不同，定子鐵心疊片組間相互獨立，通過通風(fēng)槽在徑向方向上進(jìn)行散熱。

經(jīng)過統(tǒng)計得到表4所示的電機(jī)各區(qū)域位置的主要溫度分布結(jié)果。從表中可以知道，定子繞組的最高溫度為122.3℃，溫升最大值72 K；定子鐵心的最高溫度126.9℃，溫升最大值77 K；轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的最高溫度119.6℃，溫升最大值70 K；轉(zhuǎn)子鐵心的最高溫度120.2℃，溫升最大值70 K。從仿真計算數(shù)據(jù)結(jié)果可知定子溫升不超過100 K，定子和轉(zhuǎn)子R電阻法溫升不超過90 K，預(yù)估溫升不超過80 K，電機(jī)各部分溫升均能滿足設(shè)計要求。

表4 電機(jī)各部分溫度分布

4 實驗分析

以上述分析為依托，設(shè)計的6.1 MW鼠籠異步發(fā)電機(jī)樣機(jī)如圖11所示。發(fā)電機(jī)由拖動機(jī)拖動，變頻器供電進(jìn)行實驗，利用功率分析儀測得樣機(jī)的電磁性能參數(shù)，如表5所示。

圖11 鼠籠異步發(fā)電機(jī)樣機(jī)

表5 發(fā)電機(jī)試驗參數(shù)

經(jīng)測得試驗數(shù)據(jù)符合有限元分析結(jié)果。樣機(jī)實驗中電磁特性數(shù)據(jù)和溫度特性數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果基本吻合。樣機(jī)實驗測試結(jié)果表明，本文對大功率鼠籠異步發(fā)電機(jī)的設(shè)計符合實際應(yīng)用的需求，且所設(shè)計的樣機(jī)具有良好的電磁特性和溫度特性。

5 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有海上籠型異步發(fā)電機(jī)功率密度低的問題，提出了一種適用于海上的6.1 MW大功率鼠籠異步發(fā)電機(jī)，介紹了發(fā)電機(jī)的基本設(shè)計方案，對其進(jìn)行了電磁特性分析和溫度特性分析。根據(jù)仿真分析和計算結(jié)果設(shè)計了一臺6.1 MW的鼠籠異步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，通過拖動實驗驗證了前期的電磁和溫度特性分析結(jié)果，并得到以下結(jié)論：

(1)定子槽型將開口槽調(diào)整為半開口槽的設(shè)計，使定子鐵心齒部對主磁通磁阻減小，勵磁電流減小，可有效降低空載電流且使功率因數(shù)提高了1.22%，提高了發(fā)電機(jī)的電能輸出質(zhì)量。

(2)對于大功率籠型空空冷異步發(fā)電機(jī)，采用空空冷卻器和內(nèi)部轉(zhuǎn)子上安裝的混流風(fēng)扇的冷卻方案，可滿足電機(jī)一、二次風(fēng)路所需的冷卻空氣流量，可以使發(fā)電機(jī)的溫升保持在一個合理的溫升范圍，從而實現(xiàn)了大功率籠型異步發(fā)電機(jī)在海上高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行

(3)本文采用的雙路對稱的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗結(jié)果來看，電機(jī)兩端進(jìn)風(fēng)溫度溫度差值為12℃，兩端軸承溫度差值為9℃，避免了非傳動端軸承受冷卻空氣影響導(dǎo)致溫升過高的風(fēng)險。