CN112953052B - 一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法，包括下述步骤：1)获取设计风量Q、定子风沟数n、定子风沟高度h、定子铁心轴向高度L及其他发电机尺寸信息；2)首次确定铁心段份数及每份铁心段数量；3)首次确定各铁心段叠片高度；4)结合步骤1和步骤3信息首次确定各风沟风量；5)重新确定各铁心段叠片高度；6)对除边端铁心段外其余各段叠片高度进行取整；7)重新确定边端铁心段叠片高度；8)按照步骤1、步骤6和步骤7信息重新确定各风沟风量；9)以相邻两次风沟风量差异为判定依据，最终确定定子铁心段叠片高度。与目前常用铁心段叠片高度确定方法相比，本发明方法可以使定子轴向温度更加均匀的同时，有效降低定子的最高温度，提高发电机的运行稳定性。

Description

一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法

技术领域

本发明涉及一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法，更具体而言，涉及一种改善永磁直驱风力发电机定子温度分布，使之更加均匀的铁心段叠片高度的确定方法。

背景技术

永磁直驱风力发电机定子主要依靠空气流经各定子铁心段及其之间的通风槽钢组成的风沟来进行冷却。目前各铁心段叠片高度常用的确定方法：在已知风沟数、风沟高度、定子铁心轴向高度的基础上，定子铁心轴向高度减各风沟高度和得到定子铁心段总高度，然后再用定子铁心段总高度除以铁心段数即为各铁心段叠片高度，若为非整数，则保证除边端两段外其余各段均为最接近平均值的整数，剩余尺寸由边端两铁心段平均承担。虽然上述方法简单快捷，铁心叠装过程更易操作，但由于永磁直驱风力发电机风路结构特征导致各风沟风量呈现中间多、两端少的明显变化趋势，即热负荷相近的铁心段在接近两端位置由较少风冷却，在近中部位置由较多风冷却，造成了定子轴向温度分布的不均匀性，长时间运行可能导致铁心翘曲，发生事故。

本发明就是在目前常用铁心段叠片高度确定方法优缺点基础上，提出了一种改进的永磁直驱外转子风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法，改进后的方法可以使定子轴向温度更加均匀的同时，降低定子的最高温度，提高发电机的运行稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了解决永磁直驱风力发电机各铁心段叠片高度均匀情况下导致的定子轴向温度分布不均匀的问题，提出了一种新的，可以减小定子最高温度，可以使定子轴向温度更加均匀，进而提高发电机运行稳定性的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法。本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：获取设计永磁直驱风力发电机时的设计风量Q、定子风沟数n、定子风沟高度h、定子铁心轴向高度L及其他发电机尺寸参数，其中其他发电机尺寸参数包括定子铁心内径、定子铁心外径、气隙高度、定子铁心槽形尺寸、定子线圈尺寸、通风槽钢尺寸、转子尺寸，各尺寸单位均为毫米，以上参数为下述步骤的基本输入参数；

步骤2：首次确定铁心段份数及每份铁心段数量，定子铁心段数为n+1，将铁心段数按照(n+1)/3分为上、中、下三份：整除时，三份铁心段数相同；不能整除时存在两种情况，余数为1和余数为2，余数为1时，上、下份铁心段数均为n/3，中份铁心段数为n/3+1，余数为2时，中份铁心段数为(n-1)/3，上、下份铁心段数均为(n-1)/3+1；

步骤3：首次确定各铁心段叠片高度，上份和下份各铁心段叠片高度均为a，中份各铁心段叠片高度均为b，a和b满足以下三个要求：第一，a<b；第二，a和b均为最接近(L-nh)/(n+1)的整数；第三，上、中、下三份铁心段叠片高度总和为L-nh；

步骤4：首次确定各风沟风量，对由步骤1获得的信息和步骤3各铁心段叠片高度信息确定的流体场进行N-S方程离散化求解，得到第1风沟至第n风沟风量分别为Q₁₁、Q₁₂、……、Q_1n，其中下标第一位数1表示第1次求解风沟风量；

步骤5：重新确定各铁心段叠片高度，两边端铁心段叠片高度为步骤3中a，第2段铁心两侧风量占比

第3段铁心两侧风量占比

……，第n段铁心两侧风量占比

更新各铁心段叠片高度：第2段l₁₂＝x₁₂·(L-nh-2a)，第3段l₁₃＝x₁₃·(L-nh-2a)，……，第n段l_1n＝x_1n·(L-nh-2a)，此步骤中下标第一位数1表示第1次求解风沟风量，且根据此次风沟风量值求得的铁心段两侧风量占比及铁心段叠片高度的下标第一位数也用此数；

步骤6：第2段至第n段铁心段叠片高度取整，以个位数和小数的组合数作为判断依据，当组合数∈[0,2.5)，取0将其替代，其余位上的数不变；当组合数∈[2.5,7.5)，取5将其替代，其余位上的数不变；当组合数∈[7.5,10)，取0将其替代，十位数、百位数相应进位，取整后第2段至第n段铁心叠片高度记为[l₁₂]、[l₁₃]、……、[l_1n]；

步骤7：重新确定第1段、第n+1段铁心段叠片高度[l₁₁]和[l_1(n+1)]，

保留1位小数；

步骤8：重新确定各风沟风量，对由步骤1尺寸参数和步骤6、步骤7各铁心段叠片高度参数确定的流体场进行N-S方程离散化求解，得到第1风沟至第n风沟风量分别为Q₂₁、Q₂₂、……、Q_2n，其中下标第一位数2表示第2次求解风沟风量；

步骤9：当

数值存在大于10％的情况，则将步骤8中各风沟风量带入步骤5中进行替换，重复步骤5～步骤8，并以10％为依据决定是否继续替换和重复，直到

均不大于10％，停止迭代，即可确定第2段至第n段铁心段两侧风量占比x_i2、x_i3、……、x_in，进一步地确定了各段铁心段叠片高度[l_i1]、[l_i2]、……、[l_i(n+1)]，其中下标第一位数i表示第i次求解风沟风量，且根据第i次风沟风量值求得的铁心段两侧风量占比及铁心段叠片高度的下标第一位数也用此数。

本发明的有益技术效果是：

针对永磁直驱风力发电机，目前定子铁心段叠片高度常用的确定方法为平均法，即各定子铁心段叠片高度相似，且接近平均值，进一步地说明各铁心段热负荷相似。由于永磁直驱风力发电机风路结构特征导致会各风沟风量呈现中间多、两端少的分布特征，即热负荷相近的铁心段在接近两端位置由较少风冷却，在近中部位置由较多风冷却，造成了定子轴向温度分布的不均匀性。新的铁心段叠片高度确定方法可以更协调地将各铁心段热负荷及其对应的冷却风量进行匹配，使定子温度沿轴向分布更加均匀，有效防止铁心翘曲，保证发电机的可靠运行。

附图说明

图1为一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定流程。

图2为一种永磁直驱风力发电机定子铁心段示意图。

图3为一种永磁直驱风力发电机冷却风路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的实施方式作详细说明。

本发明主要涉及一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法，设计风量Q、定子风沟数n、定子风沟高度h、定子铁心轴向高度L及其他发电机尺寸信息的获取问题不是本发明的考虑范围。本发明假设在确定定子铁心段叠片高度之前，在设计一种永磁直驱风力发电机时，设计风量Q、定子风沟数n、定子风沟高度h、定子铁心轴向高度L及其他发电机尺寸信息已经被获取，其中其他发电机尺寸信息包括定子铁心内径、定子铁心外径、气隙高度、定子铁心槽形尺寸、定子线圈尺寸、通风槽钢尺寸、转子尺寸，各尺寸单位均为毫米。此外，对流体场进行N-S方程离散化求解所涉及的算法也不属于本发明的考虑范围。

在介绍本发明方法的详细过程前，我们先对涉及到的符号作如下约定：

Q：设计风量，m³/s；

n：定子风沟数；

h：定子风沟高度，mm；

L：定子铁心轴向高度，mm；

a：首次确定铁心段份数及每份铁心段数量时，上份和下份各铁心段叠片高度，mm；

b：首次确定铁心段份数及每份铁心段数量时，中份各铁心段叠片高度，mm；

Q₁₁、Q₁₂、……、Q_1n：第1风沟风量、第2风沟风量、……、第n风沟风量，其中下标第一位数1表示第1次求解风沟风量，m³/s；

x₁₂、x₁₃、……、x_1n：第2段铁心两侧风量占比、第3段铁心两侧风量占比、……、第n段铁心两侧风量占比，其中下标第一位数1表示根据第1次求解得到的风沟风量确定铁心段两侧风量占比；

l₁₂、l₁₃、……、l_1n：根据铁心段两侧风量占比得到的第2段铁心叠片高度、第3段铁心叠片高度、……、第n段铁心叠片高度，其中下标第一位数1表示根据第1次求解得到的风沟风量确定铁心叠片高度，mm；

[l₁₂]、[l₁₃]、……、[l_1n]：取整后的第2段铁心叠片高度、第3段铁心叠片高度、……、第n段铁心叠片高度，mm；

[l₁₁]、[l_1(n+1)]：其余各段取整后求得的第1段铁心叠片高度、第n+1段铁心叠片高度，mm；

i：第i次求解风沟风量。

下面介绍本发明方法的详细过程，各步骤中所涉及的铁心段特征和风路特征如图2、3所示。

步骤1：获取设计永磁直驱风力发电机时的设计风量Q、定子风沟数n、定子风沟高度h、定子铁心轴向高度L及其他发电机尺寸信息，其中其他发电机尺寸信息包括定子铁心内径、定子铁心外径、气隙高度、定子铁心槽形尺寸、定子线圈尺寸、通风槽钢尺寸、转子尺寸，各尺寸单位均为毫米，以上参数为下述步骤的基本输入参数；

步骤2：首次确定铁心段份数及每份铁心段数量，定子铁心段数为n+1，将铁心段数按照(n+1)/3分为上、中、下三份：若能整除，则三份铁心段数相同；若不能整除，则存在两种情况，余数为1和余数为2，余数为1，上、下份铁心段数均为n/3，中份铁心段数为n/3+1，余数为2时，中份铁心段数为(n-1)/3，上、下份铁心段数均为(n-1)/3+1；

步骤3：首次确定各铁心段叠片高度，上份和下份各铁心段叠片高度均为a，中份各铁心段叠片高度均为b，a和b满足以下三个要求：第一，a<b；第二，a和b均为最接近(L-nh)/(n+1)的整数；第三，上、中、下三份铁心段叠片高度总和为L-nh；

步骤4：首次确定各风沟风量，对由步骤1获得的参数和步骤3各铁心段叠片高度参数确定的流体场进行N-S方程离散化求解，得到第1风沟至第n风沟风量分别为Q₁₁、Q₁₂、……、Q_1n；

步骤5：重新确定各铁心段叠片高度，两边端铁心段叠片高度为步骤3中a，第2段铁心两侧风量占比

第3段铁心两侧风量占比

……，第n段铁心两侧风量占比

更新各铁心段叠片高度：第2段l₁₂＝x₁₂·(L-nh-2a)，第3段l₁₃＝x₁₃·(L-nh-2a)，……，第n段l_1n＝x_1n·(L-nh-2a)；

步骤6：第2段至第n段铁心段叠片高度取整，以个位数和小数的组合数作为判断依据，当组合数∈[0,2.5)，取0将其替代，其余位上的数不变；当组合数∈[2.5,7.5)，取5将其替代，其余位上的数不变；当组合数∈[7.5,10)，取0将其替代，十位数、百位数相应进位，取整后第2段至第n段铁心叠片高度记为[l₁₂]、[l₁₃]、……、[l_1n]；

步骤7：重新确定第1段、第n+1段铁心段叠片高度[l₁₁]和[l_1(n+1)]，

保留1位小数；

步骤8：重新确定各风沟风量，对由步骤1尺寸参数和步骤6、步骤7各铁心段叠片高度参数确定的流体场进行N-S方程离散化求解，得到第1风沟至第n风沟风量分别为Q₂₁、Q₂₂、……、Q_2n；

步骤9：当

数值存在大于10％的情况，则将步骤8中各风沟风量带入步骤5中进行替换，并重复步骤5～步骤8，以10％为依据决定是否继续替换和重复，直到

均不大于10％，停止迭代，即可确定第2段至第n段铁心段两侧风量占比x_i2、x_i3、……、x_in，进一步地确定了各段铁心段叠片高度[l_i1]、[l_i2]、……、[l_i(n+1)]。

本发明方法的原理说明：

根据一种永磁直驱风力发电机的风路结构特点可知，冷却空气分别从两端进入气隙，并依次从定子风沟流出，沿着气隙端部至中部，越靠近中部，动压越小、静压越高，所以会呈现风沟风量中间多，两端少的趋势。定子铁心段热负荷与其叠片高度成正比，若冷却此段的冷却风量占比与其热负荷占比相当，即可实现定子铁心的均匀冷却，进一步地可以实现定子的均匀冷却，所以，由首次确定的定子铁心段叠片高度及发电机其他已知尺寸得到各风沟风量Q₁₁、Q₁₂、……、Q_1n，推出第2至第n段铁心段两侧冷却风量占比

保证第2至第n段定子铁心段叠片高度也是此占比来实现冷却均匀化目标，处理后得到新的各段定子铁心段叠片高度为[l₁₁]、[l₁₂]、……、[l_1(n+1)]。新的定子铁心段叠片高度必然会导致新的定子风沟风量分布，经过多次重复计算后，前后两次风沟风量大小会逐渐逼近，以10％为判定依据，即

最终得到各段定子铁心段叠片高度为[l_i1]、[l_i2]……、[l_i(n+1)]，这里的10％并非限值，仅是结合误差、实施效率、实施效果等因素后进行的综合性选择。

为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对此实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于此实施例及附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种永磁直驱风力发电机定子铁心段叠片高度的确定方法，其特征包括如下步骤：

步骤1：获取设计永磁直驱风力发电机时的设计风量Q、定子风沟数n、定子风沟高度h、定子铁心轴向高度L及其他发电机尺寸参数，其中其他发电机尺寸参数包括定子铁心内径、定子铁心外径、气隙高度、定子铁心槽形尺寸、定子线圈尺寸、通风槽钢尺寸、转子尺寸，各尺寸单位均为毫米，以上参数为下述步骤的基本输入参数；

步骤2：首次确定铁心段份数及每份铁心段数量，定子铁心段数为n+1，将铁心段数按照(n+1)/3分为上、中、下三份：整除时，三份铁心段数相同；不能整除时存在两种情况，余数为1和余数为2，余数为1时，上、下份铁心段数均为n/3，中份铁心段数为n/3+1，余数为2时，中份铁心段数为(n-1)/3，上、下份铁心段数均为(n-1)/3+1；

步骤3：首次确定各铁心段叠片高度，上份和下份各铁心段叠片高度均为a，中份各铁心段叠片高度均为b，a和b满足以下三个要求：第一，a<b；第二，a和b均为最接近(L-nh)/(n+1)的整数；第三，上、中、下三份铁心段叠片高度总和为L-nh；

步骤4：首次确定各风沟风量，对由步骤1获取的参数和步骤3各铁心段叠片高度参数确定的流体场进行N-S方程离散化求解，得到第1风沟至第n风沟风量分别为Q₁₁、Q₁₂、……、Q_1n，其中下标第一位数1表示第1次求解风沟风量；

步骤5：重新确定各铁心段叠片高度，两边端铁心段叠片高度为步骤3中a，第2段铁心两侧风量占比

第3段铁心两侧风量占比

第n段铁心两侧风量占比

更新各铁心段叠片高度：第2段l₁₂＝x₁₂·(L-nh-2a)，第3段l₁₃＝x₁₃·(L-nh-2a)，……，第n段l_1n＝x_1n·(L-nh-2a)，此步骤中下标第一位数1表示第1次求解风沟风量，且根据此次风沟风量值求得的铁心段两侧风量占比及铁心段叠片高度的下标第一位数也用此数；

步骤6：第2段至第n段铁心段叠片高度取整，以个位数和小数的组合数作为判断依据，当组合数∈[0,2.5)，取0将其替代，其余位上的数不变；当组合数∈[2.5,7.5)，取5将其替代，其余位上的数不变；当组合数∈[7.5,10)，取0将其替代，十位数、百位数相应进位，取整后第2段至第n段铁心叠片高度记为[l₁₂]、[l₁₃]、……、[l_1n]；

步骤7：重新确定第1段、第n+1段铁心段叠片高度[l₁₁]和[l_1(n+1)]，

保留1位小数；

步骤8：重新确定各风沟风量，对由步骤1尺寸参数和步骤6、步骤7各铁心段叠片高度参数确定的流体场进行N-S方程离散化求解，得到第1风沟至第n风沟风量分别为Q₂₁、Q₂₂、……、Q_2n，其中下标第一位数2表示第2次求解风沟风量；

步骤9：当

数值存在大于10％的情况，则将步骤8中各风沟风量带入步骤5中进行替换，并重复步骤5～步骤8，以10％为依据决定是否继续替换和重复，直到

均不大于10％，停止迭代，即可确定第2段至第n段铁心段两侧风量占比x_i2、x_i3、……、x_in，进一步地确定了各段铁心段叠片高度[l_i1]、[l_i2]、……、[l_i(n+1)]，其中下标第一位数i表示第i次求解风沟风量，且根据第i次风沟风量值求得的铁心段两侧风量占比及铁心段叠片高度的下标第一位数也用此数。

Images