【永磁直驱风力发电机辅助散热段结构设计】220v小型发电机299元

　　摘要：为了减少风电发电机冷却系统耗能，减小机舱内板式换热器占用机舱体积，并利用风场优越的自然风资源对发电机进行冷却，以某风电设备供应商2.5MW永磁直驱发电机现有冷却系统结构为基础，提出了增加辅助散热段的构思，通过在机舱外布置散热结构从而达到利用风场优越的自然风对发电机进行辅助冷却散热，由此减小板式换热器的体积，避免板式换热器体积或数量随着单机容量的增大而出现换热器体积的线性增加，为风电发电机散热系统设计提供参考。
　　关键词：风电；冷却；散热器；芯体
　　中图分类号：TM315 文献标识码：A
　　文章编号：16749944（2012）10022703
　　1 引言
　　随着化石能源使用导致环境等问题的日益严峻，风力发电作为新能源利用中最成熟的技术之一，已成为可再生能源利用的趋势，大型直驱/半直驱永磁发电机成为风电发展的方向[1]，且单机容量从kW级向MW级发展，而相应地其发热量可高达上百千瓦，为保证电机效率、绝缘寿命及永磁体不可逆去磁，良好的冷却系统成为研究的重点[2～4]。但国内对风力发电研究多侧重于控制系统、变频及机械设计，对风力发电系统中冷却系统设备的研究较少，且文献较早[4]。目前国内风力发电冷却设备主要从国外购买，投资与运行维护费用较高。
　　本文以某风电设备供应商现有2.5MW永磁直驱风力发电机冷却系统为研究对象，该系统所用板式换热器芯体尺寸达1200mm×1000mm× 1000mm，临近板式换热器芯体供应商芯体尺寸制造尺寸（国产化换热器芯体供应商可提供极限尺寸1250mm）与实验台要求的极限值，且随着3MW、6MW等永磁直驱发电机的研发，以及磁钢价格上扬引起发电机内磁钢数量减排的研发，都造成永磁直驱发电机在运行过程中所需散热量增加，如果仅通过增加换热器芯体数量及增加换热器芯体换热面积来满足散热量，势必造成换热系统成本（要求更大的循环风机、钣金、换热芯体等）及占用机舱内空间随散热量要求的增加形成线性增加趋势，并给换热芯体的制造增加工艺上的复杂性。而风电场自身优越的自然风，本身给强制对流换热提供了一个很好的前提，所以如何通过改变结构能够将发电机高温点气流直接让风电场自然风去进行强制冷却，以此来减小换热器的尺寸及数量并降低成本，是一个值得研究的问题，本文阐述了通过在机舱外增加辅助散热段，利用风电场优越的自然风进行辅助散热的结构。
　　2 辅助散热段散热基本原理
　　本辅助换热结构采用管翅式散热结构（其结构可见图1～图6），根据其基本换热原理进行强化换热措施，其原理如下[5]：
　　式（1）中：Ф—对流散热量，W；Kf—传热系数，W/m2；Ai—管内侧换热面积，m2；tfi—管内热气体温度，℃。
　　式（2）中tfo—管外来留空气温度，℃；hi—管内测对流换热系数，W/m2；δ—管子壁厚，m；λ—管子导热系数，W/m； h0—管外侧对流换热系数，W/m2；η—肋面总效率。
　　式（3）中：A1—管外肋面突出面积，m2；A2—管外平壁面积，m2。
　　辅助换热管段采用铝质材料具有良好的导热性，且管壁较薄，与另外两项相比，δ/λ可忽略，所以kf=1 [1/hi+Ai/（h0η0A0）]。通过在翅片上周期性地开若干孔，可提高空气在翅片上扰流，提高管外侧对流换热系数h0，同时在管内周期性布置若干扰流片或扭带，可提高管内热气流的紊流程度，提高管内侧的对流换热系数hi。由式（2）知：通过提高h0、hi可提高传热系数kf值，从而增强辅助换热段的对流散热量。
　　本辅助散热结构即根据某风电设备供应商2.5MW永磁直驱发电机机舱结构及冷却系统布置，在机舱外设置管翅式辅助散热段，该段由板翅式换热段和环翅式换热段组成，使翅片平行于自然风来流方向（随着风向变化，风机偏航保证翅片与来留空气方向近似平行），根据上述及散热原理本文阐述带风箱与无风箱两种辅助散热段结构，随着风速提高，发电机发电功率提高（达到满发之前），所需散热量增加，同时随着风速提高，辅助散热段换热效果提高。
　　3 辅助散热段结构设计分析
　　图1为不带风箱的管翅式辅助散热段整体结构图，其基本原理为：在内循环风机作用下，永磁发电机产生的热气体被从定子上所开设的孔中抽出，依次进入环翅式散热段与板翅式散热段，使热气流直接与风场来流自然风进行强制对流散热，在完成辅助散热后，气体进入板式换热器，与外循环风机作用下进入换热器的自然空气进行强制对流换热，内循环经冷却散热后热气体回到机舱，再次进入发电机携走发电机产生的热量，使内循环形成闭式循环；外循环冷却空气再次回到自然界，形成开式循环，其中为防止转子转动过程中震动带来的危害，辅助散热段与发电机定子预留散热孔通过软连接相连。
　　设置于机舱外的辅助散热管段如图2所示，通过总管与支管连接的形式组成，本设计中与总管相连的板翅式换热段可分别采用100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的铝质材料金属管及翅片（管径不宜小于100mm，因现有风量造成阻力较大，从而对循环风机要求过高）。图3中为不同支管直径对应数量分别为10、5、5、3、2时的截面图，板翅式散热段上所采用板翅为每隔15°设置一个，管子上共有24个板翅，环形翅片每隔30mm布置1个，以上所述数字与数量并非固定值，为整体结构概述。图4为增加风箱的辅助散热段整体结构，其气体循环和散热原理与无风箱结构相同，通过增加风箱可简化板翅式散热段与总管的连接方式（需开孔焊接），可通过在支管及风箱上设置法兰实现连接，且通过增加风箱可灵活布置板翅式散热段支管的数量，采用风箱的辅助散热段如图5所示，为了避免机舱下部设置的辅助换热段出现干涉现象，可将风箱结构尺寸改变，也可进行单面布置板翅式散热段，如图6所示。
　　本文阐述了某风电设备供应商的永磁直驱风力发电机的辅助散热结构，通过布置不同管径及数量的管翅式换热段来实现自然风对发电机的间接冷却，阐述了不同的结构冷却散热辅助结构，但其中仍然存在以下问题需要进行探索。
　　（1）对于辅助散热段散热效果需要定量计算及分析，需对比不同结构散热效果。
　　（2）对于辅助换热段的支撑与固定，因机舱材料为玻璃钢材质，机舱能否承重辅助换热段，应通过设计相应的结构使辅助换热段重量传递给机架底座。
　　参考文献：
　　[1] Carrasco J M，Franquelo L G. Power-electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources：A Survey [J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics， 2006， 53（4）： 1002～1016.
　　[2] 林鹤云， 郭玉敬， 孙蓓蓓，等. 海上风电的若干关键技术综述[J]. 东南大学学报，2011， 41（4）： 882～888.
　　[3] 元伟伟， 蒋彦龙. 风力发电冷却技术[J]. 世界科技研究与发展， 2007， 29 （2） ： 80～85.
　　[4] 蒋彦龙， 元伟伟， 张 秋，等. MW级风力发电水冷系统的优化设计[J]. 南京航空航天大学学报，2008， 40（2）： 199～204.
　　[5] 杨世铭， 陶文铨.传热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

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