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摘 要 :发热和冷却是各种电机的共性问题.分析了温升对大型直驱永磁发电机的影响.采用变频器驱动冷却系统将永磁发电机热损耗产生的热量通过空\空热交换器散发到空气中,将电机温度控制在正常的温度范围内,防止因电机温度过高导致的电机永磁材料的磁损失以及绝缘材料的老化,保证风力发电机长期稳定的运行.
关 键 词 :直驱永磁 温升 变频器 冷却方式
直驱永磁风力发电机通常有较多的磁极数和较大的体积,具有大体积、多极、超低速的特点.随着直驱永磁风力发电机朝着大功率方向发展,其功率达可达到1500kW以上,定子直径尺寸达到4.5m,磁极数达到88级.
影响大功率直驱永磁电机运行温度的因素趋于复杂化.永磁电机是由多种材料构成的不均质体,其构成材料包括:钕铁硼（NdFeB）永磁体、永磁体固定树脂、铜线圈、硅钢片、浸漆、钢材、绝缘胶、绑带、涂制绝缘层及加固用槽楔(竹质)、填充绝缘导磁材料等多种材料.这些材料的温度特性、膨胀系数都各不相同.电机运行过程中的温度变化,会导致电机的定/转子尺寸发生改变,同时因材料间膨胀系数的不同而出现热应力.
1.温升对永磁电机定/转子内部材料的影响
直驱永磁风力发电机通常采用外转子结构,即带有磁极的转子在外,嵌有绕组的定子在内.运行时,叶轮直接驱动外转子旋转[1].永磁发电机发热热量主要来自于绕组电流以及铁芯涡流、磁势产生的热量.电机温升主要包括定子线圈、定子铁芯和转子永磁体等处的温升.定子温度过高会导致电机绝缘能力的降低.
温度的变化使得膨胀系数有差别的材质间产生热应力,各种相邻材质间均存在径向和轴向热应力.热应力的大小取决于膨胀系数差别及温度的变化速度.当温度上升较快时,膨胀系数大的材质产生向外扩张热应力,对周围材质形成挤压,并向束缚力较小的方向扩张,当温度下降时,膨胀系数高的材质收缩较快,在达到一个较低的温度时,不同材质的物体间因收缩程度不同而留下空隙.久而久之,电机内部会出现间隙、裂缝,使得电机振动、噪声加大,严重时会导致定子表面槽楔胀裂.由于热应力原因在转子磁轭、永磁体、固化树脂间存在的间隙或裂缝容易导致永磁体在磁轭表面的移位或脱落.
发电机温度的降低,可减小材料的胀缩量,温度的变化速度变得缓慢而适度,使各种材质的胀缩变得非常缓慢并同步胀缩,可以减小电机内部热应力.理想的温度变化:在电机运行时温度保持平稳,防止电机在运行、起动或停机的过程中温度变化过快.
2.温升对电机结构件尺寸的影响
因金属的导热性良好,绕组和铁芯的热量会很快的传导到整个定子.温度升高会使发电机铁芯及定子结构件热膨胀,膨胀量随着材料温度的升高而加大.金属结构尺寸越大,热膨胀量越大.
受温度升高影响,定子在轴向、径向、圆周向等不同方向产生膨胀量.影响热膨胀量有3个因素:材料的线性长度L,材料的温度t,材料的线胀系数α（固态物质的温度改变1℃时,其长度的变化与它在0℃时的长度之比）.
物体的长度改变量△L与温度改变量△t成正比,也与物体的原来的长度L成正比,即
△L等于αL△t (1)
永磁电机定子结构件通常选用Q345-C结构钢,碳钢、低合金钢的线胀系数为:α等于11.2×10-6（1/℃）.由式(1)可知:减小定子温度改变量,可减小定子径向、轴向、圆周向的热膨胀量.
常温环境下,直驱永磁电机定转子间隙非常小,在4.0mm-5.5mm之间.定子径向热膨胀尺寸过大,会使工作状态下的电机定/转子间隙减小,增加了“扫堂”的可能性.
定子温度分布不均匀会导致定子结构的不对称变形.不对称变形对定子结构件的圆度、铁芯叠片的叠加作用、绕组的绝缘会产生影响.减小定子不同区域的温度差,可以有效降低不对称变形,有利于铁芯叠片和绕组的绝缘稳定.因此,在调节永磁电机运行温度过程中,既要保证定子不过温,还要减小不同区域定子的温度差.
考虑到直驱永磁电机的尺寸较大,为确保电机整体的均匀冷却,减小定子结构件不同区域的温度梯度,应采用多散热通风道的冷却方式.
3.温升对转子永磁体和磁极的影响
永磁体钕铁硼（NdFeB）是磁性很高的永磁材料,其磁能积BH(kJ/m3)和矫顽力Hc(kA/m)值很高.
但钕铁硼温度性能不佳,居里温度较低(310～410℃).温度超过居里点,钕铁硼材料变为顺磁性材料,磁性彻底消失.在高温下磁损失较大,温度超过180℃时磁性能衰减很多.
温度过高还会降低固定永磁体的固化树脂硬度,降低磁钢附着在磁轭表面的稳固度,严重时会造成永磁体磁极的脱落.
降低永磁电机运行时的温度,可有效减少由定子热传导及热辐射传递给转子的热量,减小转子的温升.
4.大功率直驱永磁电机的冷却方式
风力发电机组永磁电机的工作温度主要受到输出功率、环境温度、冷却系统性能三个因素的影响.输出功率的大小取决于发电状态下风速的大小,环境温度的高低取决于天气的变化,只有冷却系统是可控因素.
大功率直驱永磁电机采用空空冷却系统,冷却方式为IC666[2].一次冷却空气介质在独立外装风扇的作用下强迫发电机内部空气循环流动,二次冷却介质为发电机周围环境空气,在独立外装风扇的作用下强制周围冷却空气流动,永磁电机的发热量通过换热器最终被二次冷却空气带走.
根据风机的比例定律:当转速n变化时,风机流量QL与转速成正比,即QL等于kn.通过变频器改变风扇的转速,就可以调节冷却风的流量.
使用变频器作为冷却系统传动单元,采用改变频率的方式控制冷却风扇驱动电机的转速,对冷却系统的风扇进行连续调速,可实现对换热器一/二次冷却空气流量的连续控制.变频器可以快速改变冷却风扇的速度,速度调节精确,能快速响应电机温度的变化,实现电机温度的快速调节.
5.冷却风流量的温度/压力控制方法