計及電磁-傳熱影響的蒸發冷卻風力發電機定子鐵心穿管結構優化設計

程自然 王 宇 高 劍 黃守道 阮 琳,3

計及電磁-傳熱影響的蒸發冷卻風力發電機定子鐵心穿管結構優化設計

程自然1王 宇2高 劍1黃守道1阮 琳2,3

（1. 湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082 2. 中國科學院電工研究所 北京 100190 3. 中國科學院大學 北京 100049）

采用自循環式蒸發冷卻技術是提升大容量風力發電機組散熱能力和可靠性的一種經濟且有效的方式，然而在傳統電機的分析設計和性能預測過程中，往往會忽略定子局部穿管結構的改變對電機電磁性能的影響，同時也會忽略這部分接觸熱阻在熱傳導過程中對電機冷卻性能的影響。對此，該文首先基于風力發電機的運行特性和單元靈敏度方法分析了定子鐵心穿管結構對電機電磁及冷卻性能的影響，然后通過小傾角自循環管道換熱實驗以及接觸熱阻溫升實驗對空心圓銅管的換熱能力以及接觸熱阻進行了分析和測試，最后建立了以電磁及傳熱性能為優化目標的鐵心穿管結構優化策略，并以一臺10 MW永磁直驅式風力發電機為研究對象，對定子鐵心穿管結構開展了優化設計研究。通過優化方案的有限元分析驗證說明，提出的優化策略可以準確且有效地滿足電機電磁和冷卻性能的設計要求，同時從電磁和散熱兩個維度來評估，所提出的優化策略同樣適用于相同應用場景下的其他永磁同步電機。

蒸發冷卻風力發電機 定子鐵心穿管冷卻 電磁及冷卻特性 接觸熱阻 單元靈敏度分析 優化設計

0 引言

近些年來，伴隨著可再生能源領域的飛速發展，風力發電技術作為清潔能源產業中重要的組成部分，目前已經越來越受到世界各個國家的重視[1]。同時，風力發電機作為新能源電機系統中的核心機械-電磁能量轉換部件，其技術水平和創新理論也亟待進一步提升和發展[2]。然而，伴隨著風電機組單機容量不斷提升，其面臨的損耗和發熱問題也愈發嚴重，過高的運行溫度將加速電機內絕緣材料的熱老化過程，從而影響其使用壽命和力學性能[3]，這將對風力發電機的安全運行帶來嚴重的危害，同時也將不利于其輕量化和小型化發展[4]。因此，針對這些挑戰，目前新理論和新技術的研究已變得迫在眉睫。對此，應用我國自主研發的蒸發冷卻技術可以大幅度地提高發電機組的冷卻效率[5]，其使用的不燃不爆冷卻工質也可以從根本上避免由冷卻系統泄露而造成的短路風險。整套系統具有維護簡單、無需泵驅動運行、安全可靠等諸多優點，目前已經在諸多電氣領域成功應用[6-7]，同時也是未來大容量風電機組冷卻方案的理想選擇[8]。

近些年來，國內外許多學者已經在風力發電機的電磁及冷卻性能的分析建模以及優化問題上做了大量的研究，同時也取得了諸多成果。文獻[9]考慮變流器影響的同時基于改進后的遺傳算法對直驅式風力發電機的電磁參數進行了優化設計研究。文獻[10]基于混合遺傳算法實現了對直驅式風力發電機單位能源成本的優化設計分析。文獻[11]基于不同永磁體的運行溫度對海上直驅式風力發電機組的單位能源成本進行了優化研究。文獻[12]基于磁通密度分布的二維解析計算模型對直驅式風力發電機的電磁參數進行了優化設計，然而這些研究中并沒有考慮電磁設計參數對電機冷卻性能的影響。文獻[13-14]對蒸發冷卻風力發電機的冷卻特性以及小傾角自循環冷卻系統的流動性能進行了研究，然而并沒有考慮冷卻結構參數對發電機電磁性能的影響。文獻[15-16]建立了永磁風力發電機全域二維電磁場分析計算模型，并基于電磁損耗，建立了自然風冷下電機的二維溫度場分析計算模型，實現了對不同轉速下電機的溫升預測。文獻[17]基于磁-熱雙向耦合機理建立了電機二維電磁場-熱傳導耦合分析模型，并對電機的溫升進行了分析。這些研究雖然考慮了發電機電磁場與溫度場間的耦合影響關系，然而卻忽略了傳熱路徑上局部接觸熱阻對熱傳導過程的影響，因此在發電機性能精準建模分析和預測過程中，有必要綜合考慮以上的全部影響因素，對電機性能進行全面分析。

目前，蒸發冷卻風力發電機通?？梢圆捎美@組直接內冷[18]或定子全浸式冷卻技術[19]，與上述兩者不同，定子穿管式蒸發冷卻技術的冷源布置在鐵心軛部，電機繞組和鐵心中產生的熱量需要通過定子鐵心穿管導出至外界，因此在電機的分析設計過程中不僅需要考慮冷卻結構對電機電磁及冷卻性能的影響作用，還需要計及冷卻管和鐵心壁面的接觸熱阻對整個熱傳導過程的影響。

鑒于此，本文分析了定子穿管結構對風力發電機電磁及冷卻性能的影響，基于設計單元的電磁-傳熱靈敏度分析提出了一種電磁-冷卻性能協同優化策略，通過實驗測定了空心冷卻管與鐵心交界面之間的接觸熱阻，分析了小傾角自循環特性下空心冷卻管的換熱特性。最后以一臺10 MW直驅式風力發電機作為研究對象，對定子鐵心穿管方案開展了優化設計研究，并通過有限元仿真分析軟件對優化結果的正確性和有效性進行了分析驗證。本文中得出的實驗結果和提出的優化策略可以為今后大容量蒸發冷卻風力發電機的性能分析和優化設計研究提供參考和依據。

1 定子穿管結構對風力發電機電磁及冷卻性能的影響分析

1.1 定子穿管式風力發電機物理分析模型

水平軸風力發電機通常設計成臥式傾斜3°～5°仰角的形式，這種小傾角環境為自循環蒸發冷卻系統的布置和運行提供了有利的條件[20]。軸向穿管式風力發電機的蒸發冷卻系統由定子段冷卻管、上升集氣管、冷凝回流管、冷凝器以及管內循環流動的冷卻工質組成，如圖1所示。在運行過程中，液態工質在定子段吸收鐵心和繞組中產生的熱量后開始汽化，汽化后的工質經集氣管送至冷凝器進行冷卻，冷凝后的工質基于自身重力回流至底部定子段空心冷卻管內，重新參與循環。

圖1 穿管式蒸發冷卻風力發電機冷卻系統循環示意圖

由于蒸發冷卻風力發電機的運行原理和拓撲結構與傳統的風力發電機基本一致，因此本文以一臺10 MW外轉子表貼式永磁風力發電機的物理模型作為研究對象，其主要電磁參數見表1。

表1 10 MW蒸發冷卻永磁風力發電機主要電磁參數

Tab.1 Main electromagnetic parameters of a 10 MW evaporative cooling permanent magnet wind generator

1.2 定子穿管結構對發電機電磁性能的影響分析

當定子軛部開孔后，由于開孔區域的氣隙磁導率遠低于鐵心電工鋼片，將導致軛部原本均勻分布的磁力線沿開孔邊緣繞行[21]，定子穿管式風力發電機磁力線及磁通密度分布云圖如圖2所示，繼而對電機的主磁路產生影響。

圖2 定子穿管式風力發電機磁力線及磁通密度分布云圖

定子軛部開孔區域的增加等效于軛部有效磁通面積的減少、磁通密度和鐵耗的增加。軛部鐵心飽和后將導致主磁路的磁阻增加[22]，永磁體中進入主磁路的磁通減少，永磁體的利用率降低，從而對發電機的運行性能帶來不利的影響。

以上述10 MW直驅式風力發電機作為研究對象，在每個定子槽頂部中心位置布置單根冷卻管的工況下，空載氣隙磁通密度隨開孔尺寸和位置的變化趨勢見表2?？芍?，空載氣隙磁通密度隨開孔半徑的增大而減小，同時也隨開孔位置而變化，因此應綜合考慮鐵心穿管方案對電機電磁性能的影響。

表2 空載氣隙磁通密度隨開孔尺寸和位置的變化關系

Tab.2 The relationship between the maximum magnetic density of no-load yoke and the opening size and position

在運行過程中，永磁直驅式風力發電機通過背靠背的雙Pulse Width Modulation, PWM）變流器與電網相連[9]，在機側變流器采用定子直軸電流d=0的控制策略下，發電機的等效電路和穩態運行向量如圖3所示。

圖3 風力發電機運行等效電路及穩態運行向量

由圖3b可知，在忽略定子電阻時發電機的相電流為

永磁同步發電機的空載反電動勢為

由上述分析可知，在電機主要設計尺寸和轉速不變的情況下，主磁路磁阻的增加將引起發電機空載氣隙磁通密度和反電動勢的減少以及運行電流的升高，繼而引起繞組銅耗和溫升的增加，從而影響發電機的安全運行和發電輸出性能。

1.3 定子穿管結構對發電機冷卻性能的影響分析

在忽略電機軸向溫度梯度變化的前提下，風力發電機的定子徑向穩態溫度場分布規律滿足含內熱源的二維物體穩態熱傳導方程，其控制方程為

因此，其溫度場分布可以通過微分方程進行求解。同樣，基于傳熱學基本理論可以分析得到定子繞組熱源在傳熱路徑上的各部分熱阻[23-24]為

式中，為熱阻，下標為各部分熱阻名稱；為等效對流換熱系數；v、c為接觸面面積；為傳導方向長度；d為傳導方向的橫截面積；c為接觸熱阻。

從上述分析可知，定子繞組傳熱路徑中的傳熱熱阻由換熱系數、傳熱距離、對流換熱系數、換熱面積和接觸熱阻等多個因素所決定，因此作為其中的關鍵影響因素，接觸熱阻以及自循環流動狀態下工質的對流換熱系數需通過具體實際工況下的對應實驗來進行測定。因此，為了減少定子繞組熱源傳熱路徑上的熱阻，也同樣應綜合考慮冷卻管布置數量、尺寸和位置對發電機冷卻性能的影響。

2 基于單元電磁-傳熱靈敏度分析的鐵心冷卻管設計方案優化策略

由上述分析可知，定子冷卻管結構會對電機的電磁和冷卻性能產生影響，然而這類非線性優化問題很難基于傳統算法進行求解。拓撲優化算法則是基于單元靈敏度對結構方案進行尋優[25]，在考慮設計單元對性能影響的同時避免了對復雜非線性方程組的求解，因此能夠適用于此類優化問題的求解。

2.1 磁阻矩陣單元靈敏度分析

拓撲優化算法的核心思想為：以最小化電機軛部等效磁阻作為優化目標，在優化過程中逐步“刪除”靈敏度較低的單元，則可以在最大程度地減少每一步迭代對優化目標的影響，最終得到最優的設計結果。因此，為了簡化計算，本文在優化分析過程中采用相同尺寸且互不重疊的均分網絡對定子軛部設計區域進行劃分，如圖4所示。

圖4 單元靈敏度分析區域網格劃分示意圖

類比于電路分析中的“節點電壓法”可得設計區域內單元節點的磁導矩陣控制方程[26]為

基于磁導矩陣可得節點的磁動勢為

忽略某一單元磁導率的改變對外磁通源以及其余單元磁導率的影響，則單元磁導率變化對定子軛部等效磁阻的影響可以近似表示為

于是式（9）中任意單元的電磁靈敏度可以用于評估該單元屬性轉變后對定子軛部磁阻產生的 影響。

2.2 傳熱矩陣單元靈敏度分析

與磁阻矩陣單元靈敏度分析相似，傳熱矩陣單元靈敏度分析同樣將定子軛部設為優化區域，采用相同尺寸的網格單元對設計區域進行劃分。

對于穩態熱傳導問題，基于有限體積法可得設計區域內單元節點的傳熱矩陣控制方程[27]為

忽略單元變化對熱載荷的影響，則單元發生變化后新系統的平衡方程變為

因此，繞組單元某節點的溫度由鐵心單元變為空氣而引起的改變為

于是式（13）中的傳熱靈敏度可以用于評估單元對繞組節點冷卻性能的影響。

3 鐵心穿管冷卻性能實驗測試及分析

對于風力發電機自循環冷卻系統而言，空心管道的冷卻性能將直接決定電機的散熱能力，同時也會對電機方案的設計、冷卻工質的用量以及鐵心穿管的優化方案產生影響。因此，為了獲得其實際運行工況下的準確傳熱特性，需要對其開展實驗進行測定和分析。

3.1 空心管道自循環冷卻性能測試實驗

作為自循環冷卻系統中的核心換熱工質，實驗中采用的相變換熱工質的主要物性參數見表3。

表3 冷卻工質的主要物性參數

Tab.3 Main physical parameters of cooling medium

基于5°小傾角自循環式冷卻系統實驗臺，本文對單根長度為1 500 mm的空心冷卻管開展了冷卻性能實驗測試分析，其實驗原理如圖5所示。在實驗過程中放置冷凝器的高度位置為900 mm，銅管傾斜低端為回液口，高端為出氣口，空心銅管的內徑和外徑分別為2.5 mm和4 mm。在回液口至出氣口間銅管外壁面處沿程均布了11個T型熱電偶（相鄰間隔150 mm）用于測試整體的溫度變化趨勢，并依次標記為1～11號。測試前采用Fluke9171干式溫度校驗爐對T型熱電偶進行了校準，并使用Fluke2686A數據采集器收集處理熱電偶在實驗過程中產生的溫度信號。

圖5 空心冷卻銅管小傾角自循環冷卻性能測試平臺

實驗過程中的銅管損耗由交流電源產生，以作為恒定的熱負荷（熱流密度）輸入條件，并采用Fluke345電流鉗對輸入的電流信號進行收集和處理，轉換為相應的實驗熱負荷數值。冷卻管外壁面包有保溫層以保證絕熱邊界條件。實驗過程中采用恒溫水箱以保證工質進水口溫度恒定為20℃，冷凝器容量足夠大且自循環系統在實驗過程中運行在常壓的狀態下。待自循環系統經加熱達到穩定狀態后，對銅管外壁面的溫度值進行采集和校準，最終得到其外壁面沿程各點溫度隨銅管附加熱流密度的變化趨勢如圖6所示。

由于自循環系統在高于極限熱流密度時出氣口附近銅管壁面溫度將驟升[28]，為了在溫度可控的前提下探究電機電流密度的最大取值，從而為電磁設計提供參考，因此在設計過程中應以極限熱流密度，即以圖6中熱流密度的最大值（8 303 W/m2）作為邊界條件對其進行約束。

冷卻工質在空心銅管段吸熱后將發生相變沸騰，工質在空心銅管不同段存在著不同種類的流型，不同流型下的兩相流具有完全不同的流動和傳熱特性，流型變化以及密度波的不穩定性造成了如圖6所示的溫度變化趨勢[29]。因此，為了簡化分析，以銅管外壁面沿程平均溫升，即沿程11個均布熱電偶溫度的平均值作為基準，基于空心銅管加載的熱流密度與空心銅管溫度與入水口溫度之差的比值可以擬合得到工質沸騰換熱系數隨熱流密度的變化趨勢，如圖7所示。

圖6 空心銅管沿程溫度隨熱負荷變化曲線

圖7 空心銅管沸騰換熱系數同熱流密度的擬合曲線

圖7中沸騰換熱系數擬合曲線的表達式為

式中，為對流換熱系數；為熱流密度。

擬合曲線的標準差為2.05，確定系數-square為0.999 1，誤差范圍滿足工程設計所需的精度要求。擬合曲線的變化趨勢與以往矩形空心導線換熱能力的實驗研究結論相符[30]，因此可以用于表征空心銅管的對流換熱特性。

3.2 空心管道與鐵心壁面接觸熱阻測試實驗

在未完全接觸界面之間存在接觸熱阻，這將增加熱量傳遞的阻力[23]，因此為了研究表面粗糙度對接觸熱阻的影響，本文中以孔/軸的配合精度為H7/ h7作為參考基準，對內孔粗糙度為3.2mm的硅鋼片DW470-50以及外壁面粗糙度分別為1.6mm、3.2mm及6.3mm的一組空心紫銅管進行接觸熱阻測試實驗，其測試實驗原理如圖8所示。

圖8 空心管道與鐵心壁面接觸熱阻測試實驗原理

由接觸熱阻定義可知，空心管道外壁面與鐵心內壁面交界處的接觸熱阻為

圖8中，測試硅鋼片的外徑1=150 mm，內徑2=10 mm，兩端面測溫點以硅鋼片中心為原點呈對稱分布，任一端面測溫點由內至外距圓心的垂直距離分別為45、80和115 mm，最外層軸向表面采用聚酰亞胺加熱薄膜均勻加熱，以此作為第二類傳熱邊界條件（熱流密度邊界條件）?；谑剑?）可得硅鋼片的穩態徑向溫度分布規律為

式中，1為1處穩定溫度；2為2處穩定溫度。

實驗過程中采用保溫棉等絕熱材料對加熱實驗臺軸向外側與空氣接觸的散熱區域進行隔熱處理，以確保鐵心硅鋼片外徑向內徑的熱流傳遞為單一徑向方向，如圖9所示。鐵心溫度由埋置在鐵心側面小孔（半徑為2 mm，深度為2 mm）內的1～6號PT100測得，進出口水溫由與冷卻水道封裝成一體的鎧裝PT100直接測得。圖9中，將進出水口溫測點分別標記為7號和8號，采用測量誤差為±0.5%的BREMEN電磁流量計采集管路內冷卻水的進口流量，其中空心銅管的內徑和外徑分別為6 mm和10 mm，接觸面的長度為30 mm，接觸面的縫隙處采用卡夫特k-5211導熱硅脂進行填充。

圖9 空心管道與鐵心壁面接觸熱阻實驗平臺

當冷卻水的流速為1.4 L/h，系統溫度達到穩定時，實驗系統內各點的溫度實驗結果見表4。

表4 不同粗糙度配合下的系統溫度分布實驗結果

Tab.4 Experimental results of temperature distribution of heating models with different roughness

基于進出口平均水溫以及冷卻水流速可得此工況下空心銅管內工質的雷諾數=1 592，小于臨界雷諾數c=2 300，屬于層流傳熱。因此，采用齊德-泰特（Sieder-Tate）公式可得層流換熱工況下管道內工質的平均數努塞爾[23]為

繼而可得空心銅管表面的對流換熱系數為

基于平均水溫、對流換熱系數和熱流密度可得空心銅管內壁面溫度，繼而擬合得到空心銅管外壁面溫度；以鐵心對稱兩側面的溫度平均值為基準可以擬合得到定子徑向的溫度分布，繼而獲得鐵心內壁面溫度。綜上所述，以表面粗糙度配合均為Ra3.2 mm的銅管/鐵心配合工況為基準，擬合得到的實驗系統整體的溫度分布曲線如圖10所示。

從擬合結果中可知，測試溫度與預測模型相符，因此說明了上述模型可以準確地反映系統內的溫度分布?；诖四Ｐ?，通過接觸面兩側的溫度梯度以及加載的熱流密度可得到不同表面粗糙度配合下的銅管外表面與鐵心內壁面的接觸熱阻值，結果見表5。

基于傳熱學可知[23]，在常規壓力和表面粗糙度配合工況下，不銹鋼/不銹鋼的接觸熱阻為 (2.2～5.88)×10-4m2·K/W，銅/銅的接觸熱阻為 (0.25～2.5)×10-4m2·K/W。從分析結果中可知，采用導熱硅脂填充后的空心銅穿管與硅鋼片的表面交界面處具有較低的接觸熱阻，因此能夠說明本文中提出的定子鐵心穿管冷卻結構具有良好的導熱性能，同時也具有良好的冷卻應用前景。

表5 不同粗糙度配合下的接觸熱阻測試實驗結果

Tab.5 Experimental results of contact thermal resistance test with different roughness

4 考慮電磁-傳熱影響特性的定子鐵心穿管結構優化研究

4.1 鐵心穿管優化模型及優化策略

基于上述分析，本文以定子軛部單元密度作為設計變量，以發電機電磁和傳熱性能作為優化目標建立的優化模型為

為了在優化過程中對管徑進行統一，同時避免開孔位置與設計邊界以及相鄰孔發生干涉，因此本文基于單元靈敏度過濾技術[29]將過濾函數和懲罰因子定義為

式中，T為過濾后的單元靈敏度；為以單元為圓心過濾半徑范圍內的單元總數；a為以單元為圓心過濾半徑范圍內的單元靈敏度；為以單元為圓心過濾半徑范圍內的設計區域和空氣區域邊緣單元總數；a為以單元為圓心過濾半徑范圍內的設計區域和空氣區域邊緣單元靈敏度；為干涉區域懲罰因子，本文中取為500。

為了同步表征設計單元的電磁及傳熱性能，本文在優化過程中采用歸一化策略將多目標優化模型轉換為單目標優化問題進行求解，統一后的單元電磁-傳熱靈敏度偏差值如式（21）所示，偏差值越小，表示單元同時具有更好的電磁和冷卻特性。

式中，O為單元歸一化后的電磁-傳熱靈敏度偏差值；Te為單元過濾后的電磁靈敏度；emax為設計區域單元中最大的非正數電磁靈敏度；Tt為單元過濾后的傳熱靈敏度；tmin為設計區域單元中最小的非正數傳熱靈敏度。

基于上述分析建立的定子鐵心穿管方案優化設計迭代流程如圖11所示，其中單個槽下的冷卻管以槽中心呈對稱分布，以實現發電機定子溫度場的均勻分布。

在實際運行工況與實驗工況基本相同的假設前提下，本文通過式（14）來計算仿真分析過程中工質的對流換熱系數。在定子徑向溫度場有限元分析過程中，本文中假設定子繞組和鐵心發熱均勻，繞組和鐵心徑向的導熱系數設置為398 W/(m·K)和40 W/(m·K)，基于等效導熱系數 [0.15 W/(m·K)] 來計及繞組中的絕緣材料及其間的接觸熱阻對定子繞組溫度的影響[31]。

考慮到電機結構的對稱性分布，在優化過程中選取8極9槽下的單元電機作為研究對象，對9個軛部區域中相同位置下的單元靈敏度進行了平均化處理。其中，單個定子軛部優化設計區域的尺寸為170 mm×90 mm，為了在保證分析精度的同時減少優化迭代流程，將定子軛部單元尺寸設置為10 mm× 10 mm，單元劃分總數為153，如圖12所示。

4.2 優化結果及有限元分析

當空心冷卻管與鐵心壁面的接觸面表面粗糙度均為3.2mm，繞組最高溫升約束為130℃（B級絕緣等級），冷卻銅管壁厚為2 mm，單個槽軛部布置偶數個冷卻管，自循環系統熱負荷初選為7 000 W/m2的前提下，基于上述優化策略得到的10 MW直驅式風力發電機的冷卻管優化布置方案如圖13所示。其中優化方案一為單個定子槽軛部布置4根管徑為20 mm的冷卻管，優化方案二為單個定子槽軛部布置6根管徑為14 mm的冷卻管，優化方案三為單個定子槽軛部布置8根管徑為10 mm的冷卻管。

圖11 鐵心穿管冷卻方案優化設計迭代流程

圖12 單個定子槽軛部優化設計區域示意圖

為了驗證優化結果的電磁輸出性能，本文基于Maxwell2021R1有限元仿真軟件中的2D瞬態磁場求解器對電機模型進行了有限元分析。當電機額定輸出電磁功率為10 MW，相電壓設置為3 300 V，鐵心材料設置為DW465-50，對電機模型施加周期對稱邊界條件，對轉子外徑施加矢量磁位邊界條件，對定子繞組施加電流源激勵的條件下，基于有限元分析得到的優化方案在空載和負載下的電磁輸出特性見表6。

圖13 10 MW風力發電機定子軛部冷卻管優化方案

為了驗證優化結果的傳熱特性和冷卻性能，本文基于ANSYS2021R1有限元分析軟件中的Steady- Sate Thermal穩態熱求解模塊對三種優化方案中的定子徑向溫度場進行了有限元分析?；诠べ|的對流換熱系數對冷卻管內表面施加第三類邊界條件（對流換熱邊界條件），對定子上下外邊界施加絕熱邊界條件，對定子左右外邊界施加相同的絕熱（對稱）邊界條件，對空心銅管與鐵心壁面的交界面施加接觸熱阻，基于額定負載特性下的電機損耗對鐵心和繞組施加內熱源激勵，將工質換熱溫度設置為20℃，對模型賦予相應的材料屬性后求解溫度場得到的仿真分析結果如圖14所示。

表6 優化方案電磁輸出性能有限元分析結果

Tab.6 Finite element simulation results of electromagnetic performance of optimization scheme

從溫度場有限元仿真結果驗證中可知，三種優化方案均能滿足繞組最大溫升約束的要求，不同優化方案中的定子溫度場分布趨勢基本相同，呈現為較為均勻的對稱分布，靠近冷卻管附近的繞組溫度較低，冷卻性能較好，因此證明了本文中提出的優化策略和冷卻方案的可行性和有效性。同時，基于電磁和傳熱性能分析可知，優化方案三在降低電機運行損耗的同時能夠滿足繞組的最大溫升和散熱要求，因此是三種方案中最合適的選擇，而不同的冷卻管布置方案也會對不同結構尺寸電機的電磁和冷卻性能產生不同的影響，在電機參數的優化設計過程中應予以權衡考慮。

5 結論

本文基于設計單元的電磁-傳熱靈敏度分析以及冷卻性能測試實驗對蒸發冷卻風力發電機定子鐵心穿管結構的優化布置策略以及電磁-傳熱特性進行了分析和研究，所得到的結論如下：

1）本文基于風力發電機的運行特性以及小傾角自循環系統的結構布置形式，分析了定子鐵心穿管結構位置尺寸對風力發電機電磁及冷卻性能的影響關系，基于單元靈敏度分析建立了定子穿管區域單元對電機電磁-冷卻特性的影響分析模型，能夠基于靈敏度分析設計單元對電機電磁及冷卻性能的影響。

2）本文基于小傾角自循環實驗平臺以及接觸熱阻測試平臺對鐵心穿管的冷卻性能和接觸熱阻進行了實驗測試研究，測得了實驗過程中小傾角自循環冷卻系統的極限運行熱流密度為8 303 W/m2，分析得到了鐵心穿管冷卻性能與其加載的熱流密度之間的關系。通過建立的實驗系統溫度預測模型得到了配合精度為H7/h7的工況下，不同壁面表面粗糙度配合和運行熱流密度下的銅管與鐵心壁面的接觸熱阻。分析結果表明，本文中提出的新技術具有良好的導熱性能，同時實驗結果能夠為其他同類型接觸條件下的冷卻技術提供設計參考和依據。

3）本文建立了考慮電磁-傳熱影響特性的蒸發冷卻風力發電機定子鐵心穿管優化策略，基于優化策略對一臺10 MW直驅式風力發電機進行了三種不同冷卻布置方案的優化設計研究，基于有限元仿真驗證了三種優化方案均能滿足電機電磁及繞組最大溫升約束的要求，說明了本文中優化方案和冷卻技術的可行性和有效性。本文中的優化方法和策略能夠為定子穿管式風力發電機的優化設計提供參考，同時也能夠為今后定子穿管式風力發電機在結構多參數權衡選擇時提供參考和依據。

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Optimization Design of Stator Core Pipe for Evaporative Cooling Wind Generators Considering the Influence of Electromagnetic and Heat Transfer

12112,3

（1. College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China 2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 3. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

In recent years, with the rapid development of renewable energy, the capacity of wind generators has increased, and the problems of loss and heating are becoming more and more serious. Excessive operating temperatures will harm the safe operation of wind generators. Evaporative cooling technology can greatly improve the generator’s cooling efficiency. The whole system has many advantages, such as simple maintenance, safety, reliability, and more. Many scholars have researched electromagnetic and cooling performance analysis modeling and wind generator optimization. However, the influence of small changes in the stator’s local structure on electromagnetic performance and the contact thermal resistance on cooling performance is often ignored. Therefore, a collaborative optimization strategy of electromagnetic and cooling performance is proposed based on the electromagnetic and heat transfer sensitivity analysis of the design unit. Through experiments, the thermal contact resistance between the hollow cooling tube and the core interface is measured, and the heat transfer characteristics of the hollow cooling tube under the self-circulation characteristics of a small dip angle are analyzed. The optimization design of a 10 MW direct drive wind turbine is carried out.

Firstly, the influence of the stator core’s cooling pipe structure on electromagnetic and cooling performance of wind generators is analyzed based on the operating characteristics of wind generators and the element sensitivity method. Secondly, the heat transfer capacity and contact thermal resistance of hollow round copper pipe are analyzed and tested through the heat transfer experiment of self-circulating pipe with a small dip angle and the temperature rise experiment of contact thermal resistance. Thirdly, the optimization model of the stator core cooling structure is established. Finally, the optimization design of the stator core cooling structure is studied and verified by finite element analysis.

The self-recirculating cooling system with a small dip angle experiment shows that the critical heat flux of a 1 500 mm hollow copper tube is 8 303 W/m2when the condenser height is 900 mm, and the inlet temperature of cooling water is 20℃. The variation trend of the convective heat transfer coefficient of the evaporative cooling medium with heat flux is revealed by experiments, and the standard deviation of the fitted curve is 2.05. The contact thermal resistance experiment shows that when the hole/shaft matching accuracy is H7/h7, the roughness of DW470-50 is3.2mm, the heat flux is 9 549 W/m2, the contact thermal resistance between the iron core and the hollow copper tube with the roughness of1.6mm,3.2mm, and6.4mm is 7.644 8×10-5m2·K/W, 8.901 5×10-5m2·K/W, and 9.425 1×10-5m2·K/W, respectively. Finally, evaporation cooling wind generators of three different configurations using stator core pipe structures are optimized based on the sensitivity analysis strategy.

The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: (1) The established influence analysis model can analyze the influence of the stator cooling tube’s design elements on the electromagnetic and cooling performance of wind generators. (2) Based on the small-dip self-circulation test platform and the contact thermal resistance test platform, the relationship between the cooling performance of the core tube and the loaded heat flux is obtained. It shows that wind generators’ new evaporative cooling technology has good thermal conductivity. (3) The finite element simulation method verifies that the three optimization schemes can meet the requirements of electromagnetic and winding maximum temperature rise constraints.

Evaporative cooling wind generators, stator core cooling pipe structure, electromagnetic and cooling characteristics, thermal contact resistance element, sensitivity analysis, optimization design

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230024

TK89

國家自然科學基金資助項目（U22A20219）。

2023-01-09

2023-02-06

程自然 男，1993年生，博士研究生，研究方向為電力設備新技術、電機設計及優化。E-mail: chengziran1993@hun.edu.cn

阮 琳 女，1976年生，研究員，博士生導師，研究方向為電力設備新技術、大電機內綜合物理場仿真研究和流體流動與傳熱分析。E-mail: rosaline@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）