混合勵磁同步電機是將永磁體勵磁和電勵磁兩種勵磁方式相結合而發(fā)展起來的一種電機，該電機結合了永磁同步電機高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率和電勵磁同步電機磁場調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點，在變速恒壓風力發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應用前景。

由于變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機的結構、損耗分布、散熱條件和運行狀態(tài)復雜，不同運行狀態(tài)（最大增磁、額定運行和最大去磁）下混合勵磁風力發(fā)電機內(nèi)部的溫升分布不同，因此需要對發(fā)電機進行熱分析。

近年來，國內(nèi)外學者在電機熱分析方面做了大量研究工作。哈爾濱工業(yè)大學李立毅等采用有限元法對短時工作制高功率密度永磁電機的溫度場進行了計算，對端部繞組進行了分層等效，并對端部繞組的導熱進行優(yōu)化，優(yōu)化后電機繞組的溫升降低11K。

哈爾濱理工大學丁樹業(yè)等對變頻永磁同步電機進行了熱分析，采用有限體積法對電機的溫度場和流體場進行了計算，得出電機內(nèi)永磁體溫升最高。天津大學王曉遠等對采用不同水路時車用高功率密度電機的溫度場和流體場進行了計算，得出采用優(yōu)化的螺旋型水路電機的功率可以提高一倍。同時王曉遠等還建立了等效熱網(wǎng)絡模型對輪轂電機的溫度場進行了計算。

沈陽工業(yè)大學張鳳閣等對不同冷卻方案下1.12MW高速永磁電機的流體場和溫度場進行了計算，得出電機轉(zhuǎn)子溫度遠大于定子溫度，轉(zhuǎn)子碳纖維保護套的溫度最高。沈陽工業(yè)大學佟文明等分別基于有限元法、有限體積法和有限公式法對全封閉自扇冷永磁同步電機進行溫度場計算，得出有限公式法比有限元法節(jié)約時間50%以上，有限公式法計算精度和有限元法相當。

有學者對比分析了非晶合金電機和硅鋼片永磁電機溫度分布的差異性，得出非晶合金電機的各部件溫升明顯降低，對于中低頻電機，非晶合金電機的永磁體渦流損耗可能增大。文獻[9-10]對高速永磁電機的轉(zhuǎn)子散熱進行了研究，提出轉(zhuǎn)子風刺和通風孔可以提高轉(zhuǎn)子的散熱能力，降低永磁體溫升。

北京交通大學李偉力等對全空冷水輪發(fā)電機進行了熱分析，采用有限體積法對轉(zhuǎn)子的流體場和溫度場進行了計算，確定了轉(zhuǎn)子內(nèi)的空氣流動和溫升分布。同時李偉力等還對磁軛通風溝形變對電機溫升的影響進行了研究，得出通風溝發(fā)生形變使電機勵磁繞組溫差變大并會出現(xiàn)局部高溫。

華中科技大學曲榮海等采用有限體積法對強迫風冷永磁風力發(fā)電機的流體場和溫度場進行了計算，并提出在定子槽中開設徑向通風孔來改進繞組散熱，使繞組最高溫升降低5K。英國牛津大學R. Camilleri等對油冷分段定子電機進行了熱分析，建立了電機流體網(wǎng)絡和等效熱網(wǎng)絡，采用控制流體分布來改進電機散熱，電機的最高溫升降低了13K。

英國愛丁堡大學Y. C. Chong等采用有限體積法對軸向磁通永磁發(fā)電機的流體場和溫度場進行了計算，得出改進入風口結構可以提高電機的散熱。芬蘭拉彭蘭塔理工大學J. Nerg等對高功率密度電機進行了熱分析，建立了電機各部件熱網(wǎng)絡和流體熱網(wǎng)絡，并對電機熱計算的敏感性進行了分析，指出繞組徑向熱導率是影響熱網(wǎng)絡模型準確性的重要參數(shù)。法國阿爾斯通公司G. Traxler-Samek等對大型空冷同步電機進行了熱分析，建立了電機流體網(wǎng)絡和等效熱網(wǎng)絡，確定了電機整體溫度分布。

國內(nèi)外學者在電機溫度場計算方面的研究取得了一定的成果。但是，針對損耗分布和運行狀態(tài)復雜的變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機溫度場計算方面的研究還鮮有報道。本文以一臺100 kW混合勵磁風力發(fā)電機為例，采用有限元法對發(fā)電機進行熱計算，揭示不同運行狀態(tài)（最大增磁、額定運行和最大去磁）下發(fā)電機的溫升分布規(guī)律。

分析電勵磁電流零點設計對發(fā)電機勵磁繞組銅耗和溫升分布的影響，同時分析風速和散熱面積對發(fā)電機溫升的影響。利用樣機實驗驗證計算結果的正確性。本文的研究工作對混合勵磁風力發(fā)電機的設計具有參考價值。

圖1 100kW混合勵磁風力發(fā)電機結構

圖4 100kW混合勵磁風力發(fā)電機樣機

圖5 樣機實驗平臺

結論

本文通過對100kW變速恒壓混合勵磁風力發(fā)電機的熱計算與分析，得出以下結論：

1）最大增磁和最大去磁運行狀態(tài)下，混合勵磁風力發(fā)電機最高溫升位于勵磁繞組；額定運行時，發(fā)電機最高溫升位于電樞繞組。

2）電勵磁電流零點應選擇在100~104r/min之間，此時不同運行狀態(tài)下混合勵磁風力發(fā)電機勵磁繞組銅耗均較小，且發(fā)電機溫升分布均勻。

3）隨著風速的提高，混合勵磁風力發(fā)電機溫升降低的幅度逐漸變小。當風速高于20m/s時，風速每增加2m/s，發(fā)電機溫升降低小于1K。

4）隨著散熱面積的增加，混合勵磁風力發(fā)電機冷卻效果提高的幅度變小，發(fā)電機的散熱面積增加2～2.5倍時為宜。