CN107633143A - 一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，实施步骤包括：初始化设定散热结构的厚度参数，建立附带散热结构的风电机定子本体模型，将风电机定子本体模型进行定子刚度分析，不满足定子刚度要求则修改厚度参数，满足要求则继续进行电磁仿真、计算损耗、温度场分析确定当前厚度参数下的散热性能，不满足散热性能要求则修改厚度参数，否则将当前的厚度参数输出。本发明通过在电机定子表面加装散热结构，结构简单、设计巧妙，能够改善电机的散热性能，合理的优化设计其厚度，在保证定子刚度即结构安全的前提下，实现散热性能良好，发电机重量减小，节约风机成本，提高风电机效率和延长风机使用寿命，可进行大规模推广。

Description

一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及大型直驱风电机的定子设计技术，具体涉及一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法。

背景技术

随着风电机组单机容量的不断增大，发电机承受的负荷也越来越高，使得其定子绕组的发热量越来越严重，对风电机的安全稳定运行造成了很大影响，并且现有的风电机定子结构散热性能较差，表面积较小，热量不易散失，直接影响风电机的输出功率和使用寿命，因此，一种能改善风电机散热性能，提高电机效率及寿命的风电机定子散热结构是很有必要进行设计的，但随意的加装散热装置不仅增加风电机成本，还增加了其重量，且结构较复杂，受风电机舱空间的限制，因此，有必要对风电机定子散热结构进行优化设计，保证发电机结构安全的前提下实现散热性能良好且发电机重量减少。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，通过在电机定子表面加装散热结构，结构简单、设计巧妙，能够改善电机的散热性能，合理的优化设计其厚度，在保证定子刚度即结构安全的前提下，实现散热性能良好，发电机重量减小，节约风机成本，提高风电机效率和延长风机使用寿命，可进行大规模推广。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，实施步骤包括：

1)初始化设定散热结构的厚度参数；

2)建立风电机定子本体模型，且将散热结构通过焊接或浇筑作为风电机定子本体模型的一部分；

3)将风电机定子本体模型导入刚度分析软件中并建立有限元分析模型，基于所述有限元分析模型进行不同载荷情况下的定子刚度分析得到风电机定子形变，将风电机定子形变与预设的定子最大形变进行比较以判断是否满足刚度要求，若风电机定子形变满足定子刚度要求，则跳转执行步骤4)；否则，修改散热结构的厚度参数，跳转执行步骤2)；

4)针对所述有限元分析模型进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗；

5)将大型直驱风电机各部分的损耗作为温度场仿真分析的初始条件、充当热源，以额定工况下的载荷损耗作为温度场分析的热源初始条件，针对大型直驱风电机的定子本体进行温度场分析计算，得到定子本体的温度场分布，通过后处理器进行后处理，得到大型直驱风电机各部分的温升，确定散热结构在当前厚度参数下的散热性能；

6)判断散热结构在当前厚度参数下的散热性能是否满足大型直驱风电机的散热性能要求，如果不满足散热性能要求，则修改散热结构的厚度参数，跳转执行步骤2)；如果满足散热性能要求，则将散热结构当前的厚度参数输出。

优选地，步骤1)中的散热结构为散热套体或者散热片。

优选地，步骤3)中的刚度分析软件具体为ANSYS Workbench分析软件。

优选地，步骤4)针对所述有限元分析模型进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗具体是指基于MAXWELL软件进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗。

优选地，步骤4)中大型直驱风电机各部分的损耗包括铁芯损耗、绕组损耗、机械损耗及附加损耗。

优选地，步骤5)中针对大型直驱风电机的定子本体进行温度场分析计算的详细步骤包括：基于ANSYS Fluent软件、采用有限元方法，首先计算出当前的厚度参数下散热结构的散热系数，然后设置网格密度并划分网格，然后各个网格的温度进行求解，得到定子本体的温度场分布。

本发明大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法具有下述优点：

1、本发明且将散热结构通过焊接或浇筑作为风电机定子本体模型的一部分，电机定子表面加装散热结构，结构简单、设计巧妙，能够改善电机的散热性能、带走风电机定子热量、快速有效的使电机散热、改善电机性能，合理的优化设计其厚度，在保证定子刚度即结构安全的前提下，实现散热性能良好，发电机重量减小，节约风机成本，提高风电机效率和延长风机使用寿命，可进行大规模推广。

2、本发明所述的风电机散热优化设计方法，以风电机定子结构安全作为前提条件进行优化设计，保证了定子刚度的性能要求，在达到已有的散热性能要求情况下，尽可能的优化散热套体或者散热片的厚度，减少了风电机重量，节约了风机成本。

附图说明

图1为本发明实施例一的基本流程示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法的实施步骤包括：

1)初始化设定散热结构的厚度参数；

本实施例中，步骤1)中的散热结构为散热套体。

2)建立风电机定子本体模型，且将散热结构通过焊接或浇筑作为风电机定子本体模型的一部分；

本实施例中，建立的风电机定子本体模型包括定子本体、定子槽和散热套体，定子绕组为嵌在定子槽中的线圈，散热套体采用高导热材料制成，高导热材料通常为铝制材料。

本实施例大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法要解决的一个重要的技术问题是针对定子本体设计散热结构；此外，由于不同厚度散热套体或散热片不仅影响定子的热传导能力，影响散热性能，而且改变定子的刚度，影响定子的结构安全，对电机的性能也有一定影响，因此散热结构的厚度参数的选择是本实施例大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法要解决的另一个重要的技术问题。

3)将风电机定子本体模型导入刚度分析软件中并建立有限元分析模型，基于有限元分析模型进行不同载荷情况下的定子刚度分析得到风电机定子形变，将风电机定子形变与预设的定子最大形变进行比较以判断是否满足刚度要求，若风电机定子形变满足定子刚度要求，则跳转执行步骤4)；否则，修改散热结构的厚度参数，跳转执行步骤2)；

本实施例中步骤3)中基于有限元分析模型进行不同载荷情况下的定子刚度分析，利用风电机定子不同风机工况下的刚度作为前提条件，在满足风电机散热性能良好的情况下，尽可能的对散热套体或散热片进行优化设计，减少风电机重量要求，节约风电机成本。

本实施例中，步骤3)中的刚度分析软件具体为ANSYS Workbench分析软件。

4)针对有限元分析模型进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗；

本实施例中，步骤4)针对有限元分析模型进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗具体是指基于MAXWELL软件进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗。

本实施例中，步骤4)中大型直驱风电机各部分的损耗包括铁芯损耗、绕组损耗、机械损耗及附加损耗。

5)将大型直驱风电机各部分的损耗作为温度场仿真分析的初始条件、充当热源，以额定工况下的载荷损耗作为温度场分析的热源初始条件，针对大型直驱风电机的定子本体进行温度场分析计算，得到定子本体的温度场分布，通过后处理器进行后处理，得到大型直驱风电机各部分的温升，确定散热结构在当前厚度参数下的散热性能；

本实施例中，步骤5)中针对大型直驱风电机的定子本体进行温度场分析计算的详细步骤包括：基于ANSYS Fluent软件、采用有限元方法，首先计算出当前的厚度参数下散热结构的散热系数，然后设置网格密度并划分网格，然后各个网格的温度进行求解，得到定子本体的温度场分布。

6)判断散热结构在当前厚度参数下的散热性能是否满足大型直驱风电机的散热性能要求，如果不满足散热性能要求，则修改散热结构的厚度参数，跳转执行步骤2)；如果满足散热性能要求，则将散热结构当前的厚度参数输出。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为散热结构为散热片。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于实施步骤包括：

1)初始化设定散热结构的厚度参数；

2)建立风电机定子本体模型，且将散热结构通过焊接或浇筑作为风电机定子本体模型的一部分；

3)将风电机定子本体模型导入刚度分析软件中并建立有限元分析模型，基于所述有限元分析模型进行不同载荷情况下的定子刚度分析得到风电机定子形变，将风电机定子形变与预设的定子最大形变进行比较以判断是否满足刚度要求，若风电机定子形变满足定子刚度要求，则跳转执行步骤4)；否则，修改散热结构的厚度参数，跳转执行步骤2)；

4)针对所述有限元分析模型进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗；

5)将大型直驱风电机各部分的损耗作为温度场仿真分析的初始条件、充当热源，以额定工况下的载荷损耗作为温度场分析的热源初始条件，针对大型直驱风电机的定子本体进行温度场分析计算，得到定子本体的温度场分布，通过后处理器进行后处理，得到大型直驱风电机各部分的温升，确定散热结构在当前厚度参数下的散热性能；

6)判断散热结构在当前厚度参数下的散热性能是否满足大型直驱风电机的散热性能要求，如果不满足散热性能要求，则修改散热结构的厚度参数，跳转执行步骤2)；如果满足散热性能要求，则将散热结构当前的厚度参数输出。

2.根据权利要求1所述的大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于，步骤1)中的散热结构为散热套体。

3.根据权利要求1所述的大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于，步骤1)中的散热结构为散热片。

4.根据权利要求1所述的大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于，步骤3)中的刚度分析软件具体为ANSYS Workbench分析软件。

5.根据权利要求1所述的大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于，步骤4)针对所述有限元分析模型进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗具体是指基于MAXWELL软件进行电磁仿真、计算大型直驱风电机各部分的损耗。

6.根据权利要求1所述的大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于，步骤4)中大型直驱风电机各部分的损耗包括铁芯损耗、绕组损耗、机械损耗及附加损耗。

7.根据权利要求1所述的大型直驱风电机定子散热结构优化设计方法，其特征在于，步骤5)中针对大型直驱风电机的定子本体进行温度场分析计算的详细步骤包括：基于ANSYSFluent软件、采用有限元方法，首先计算出当前的厚度参数下散热结构的散热系数，然后设置网格密度并划分网格，然后各个网格的温度进行求解，得到定子本体的温度场分布。