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【摘 要】电机的通风冷却是电机设计的关键技术之一，对电机的尺寸和性能都有重要的影响和意义。本文简要介绍了某高速永磁风力发电机冷却系统，首先利用等值风路法对发电机通风系统需要的风量、风阻及风压进行计算，在此基础上校核该发电机风路结构设计的合理性；其次在通风系统理论计算的基础上对发电机进行了温升计算，并通过温升试验验证计算结果的可靠性。
【关键词】发电机 通风 冷却
中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―452―02
0 引言
近代电机都采用较高的电磁负荷，以提高材料的利用率，电机的单机容量也日益增大，因此有必要对电机的通风冷却系统进行研究，并在此基础上进行通风计算及温升计算以保证电机质量的可靠性[1-2]。计算通风系统时，常采用风路图代替实际管道来计算系统中的各个风阻和合成风阻，这样在风扇特性已知时，就可求出通风系统的风量和风速。温升计算时，常采用等效热路法来把温度场简化为带有集中参数的热路进行计算，此方法计算简单，能得出电机绕组和铁心的平均温升。
本文以一台高速永磁同步风力发电机（以下简称：发电机）为研究对象，通过等值风路法、等效热路法对该发电机进行通风计算和温升计算，为类似的更大容量、更高转速的发电机组设计提供理论指导。
1 结构模型
该发电机采用箱式机座的强迫通风空、空冷结构，定、转子径向设有通风道。发电机的冷却系统是由内部循环风冷加冷却器空冷两部分组成。内部风冷系统主要用来冷却发电机的转子和定子，发电机内部热空气通过风机及转子通风道的作用，进入机座顶部的空冷冷却器进行热交换，由空冷冷却器将发电机发出的热量带走。
1.1发电机额定负载时散发的热量
根据能量守恒定律，发电机需要通风冷却散发的热量可由公式（1）算出：
（1）
式中： —发电机额定功率， ；
—发电机的效率。
发电机额定功率2640KW，效率为97.8%，计算得 。
1.2发电机通风散热需要的风量
发电机冷却器通风散热需要的风量与发电机的功率、损耗、转速、绝缘等级和冷却器的结构等因素有关，可由公式（2）进行初步的计算：
（2）
式中： —冷却介质比热容， ；
—冷却介质温升， ；
—冷却介质密度， 。
冷却介质温升 ：对于F级绝缘，一般取25 ，将发电机需要通风冷却散发的热量 代入式（2），计算得发电机理论介质流量 。
2 等值风路法计算
在进行等值风路法计算时，将整个通风系统看成一组互相关联的流体通道，并用风阻来代替实际的通风管道，建立起准确的通风网络后再对风路进行求解。同时结合电机冷却器提供的风压进行迭代计算，最终得出通风系统工作点各部分流量、风速、压力等参数[3-4]。
2.1等效风路图
图1 发电机等效风路图
Z1：转子气隙小变大风阻 Z2：转子气隙大变小风阻 Z3：定子摩擦风阻
Z4：定子气隙小变大风阻 Z5：电机进入冷却器（大变小）风阻
Z6：冷却器风阻 Z7：冷却器进入电机风阻 Z8：定子线圈端部拐弯风阻
Z9：转轴轴向通风风阻
2.2电机各部分风阻
根据《电机设计》第六章电机冷却，风阻类型为摩擦风阻与局部风阻计算。各种风阻的风阻系数
其中 为类型损耗系数， 与风阻类型有关。
摩擦风阻的损耗系数 。 ，其中， 为摩擦系数、 为沿程距离、 为直径或等效直径。局部风阻的损耗系数 一般分为三种类型，面积大变小、面积小变大，拐弯风阻。面积大变小风阻损耗系数 ；面积小变大风阻损耗系数 。 、 为变化前后的面积，拐弯风阻系数依据拐弯角的不同，系数不同。
根据上述说明，可以计算电机各部分风阻值。
风阻串联合成风阻
（3）
风阻并联合成风阻
（4）
根据图1等效风路图各风阻串并联情况，分别将表1各数值代入式（3）、（4）计算得：
根据《电机设计》第六章电机冷却，电机的风阻特性函数为
（5）
风扇的外特性曲线
（6）
式中 为风扇最大风量，根据电机结构和电机转速计算获得 ； 为风扇静压，根据电机结构和电机转速计算获得 。
将 、 代入式（5）、（6）联合求解，可得实际电机风路流量 及风压 。计算得： ，
根据上述分析计算，电机的时间冷却介质流量为 ，大于风扇理论冷却介质流量 ，故电机风路结构设计合理。
3 电机的温升计算
发电机温升计算时假设绕组铜和铁心的导热系数为无穷大，即“铜”和“铁”均为等温体；由于气隙中轴向气流热阻很大，定转子之间的热交换可以忽略不计，在此情况下定子和转子可以各自组成独立的二热源热路。由定子绕组中铜耗产生的热量可从三条途径散出：（1）从绕组端部表面传给空气，其热阻为 ；（2）从通风道中的绕组表面传给空气其热阻为 ；（3）先传给铁心，再由铁心传给空气，绕组铜与铁心之间的热阻为 ；由铁心中损耗产生的热量可以从四条途径放出：（1）从通风道表面散出，其热阻为 ；（2）从铁心内圆表面散出，其热阻为 ；（3）从铁心外圆表面散出，其热阻为 ；（4）先传给绕组铜，再由铜散出，此热阻取等于前面的 [5]。由此得到典型的二热源热路图。
由此可以列出以下方程
最后将电磁计算等效铜、铁发热量结果 ， 及前述 、 一并代入式（11）、（12），计算可得： ， 。
4 分析与结论
经过大量的理论分析计算和实物电机试验测量证明，发电机平均温升计算值与实测试验值偏差7%，通过这些数据表明该发电机通风冷却系统的设计计算和温升计算是相对可靠的。
参考文献：
[1] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版设，2008.
[2] 伍宇红，郭永红.带循环空气-水冷却器发电机通风冷却系统的设计及温升计算[J].防爆电机.2006.41（4）：11-16.
[3] 薛超，郑东平.大型同步电机通风系统的计算和分析[J].上海大中型电机.2010.（No.4）23-27.
[4] 夏海霞，李桃.发电机通风系统流场及转子温度场分析[J].电机与控制学报.2007.11（5）：472 -476.
[5] 魏永田，孟大伟，温嘉斌著.电机内热交换[M].机械工业出版社，1998.
【关键词】发电机 通风 冷却
中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―452―02
0 引言
近代电机都采用较高的电磁负荷，以提高材料的利用率，电机的单机容量也日益增大，因此有必要对电机的通风冷却系统进行研究，并在此基础上进行通风计算及温升计算以保证电机质量的可靠性[1-2]。计算通风系统时，常采用风路图代替实际管道来计算系统中的各个风阻和合成风阻，这样在风扇特性已知时，就可求出通风系统的风量和风速。温升计算时，常采用等效热路法来把温度场简化为带有集中参数的热路进行计算，此方法计算简单，能得出电机绕组和铁心的平均温升。
本文以一台高速永磁同步风力发电机（以下简称：发电机）为研究对象，通过等值风路法、等效热路法对该发电机进行通风计算和温升计算，为类似的更大容量、更高转速的发电机组设计提供理论指导。
1 结构模型
该发电机采用箱式机座的强迫通风空、空冷结构，定、转子径向设有通风道。发电机的冷却系统是由内部循环风冷加冷却器空冷两部分组成。内部风冷系统主要用来冷却发电机的转子和定子，发电机内部热空气通过风机及转子通风道的作用，进入机座顶部的空冷冷却器进行热交换，由空冷冷却器将发电机发出的热量带走。
1.1发电机额定负载时散发的热量
根据能量守恒定律，发电机需要通风冷却散发的热量可由公式（1）算出：
（1）
式中： —发电机额定功率， ；
—发电机的效率。
发电机额定功率2640KW，效率为97.8%，计算得 。
1.2发电机通风散热需要的风量
发电机冷却器通风散热需要的风量与发电机的功率、损耗、转速、绝缘等级和冷却器的结构等因素有关，可由公式（2）进行初步的计算：
（2）
式中： —冷却介质比热容， ；
—冷却介质温升， ；
—冷却介质密度， 。
冷却介质温升 ：对于F级绝缘，一般取25 ，将发电机需要通风冷却散发的热量 代入式（2），计算得发电机理论介质流量 。
2 等值风路法计算
在进行等值风路法计算时，将整个通风系统看成一组互相关联的流体通道，并用风阻来代替实际的通风管道，建立起准确的通风网络后再对风路进行求解。同时结合电机冷却器提供的风压进行迭代计算，最终得出通风系统工作点各部分流量、风速、压力等参数[3-4]。
2.1等效风路图
图1 发电机等效风路图
Z1：转子气隙小变大风阻 Z2：转子气隙大变小风阻 Z3：定子摩擦风阻
Z4：定子气隙小变大风阻 Z5：电机进入冷却器（大变小）风阻
Z6：冷却器风阻 Z7：冷却器进入电机风阻 Z8：定子线圈端部拐弯风阻
Z9：转轴轴向通风风阻
2.2电机各部分风阻
根据《电机设计》第六章电机冷却，风阻类型为摩擦风阻与局部风阻计算。各种风阻的风阻系数
其中 为类型损耗系数， 与风阻类型有关。
摩擦风阻的损耗系数 。 ，其中， 为摩擦系数、 为沿程距离、 为直径或等效直径。局部风阻的损耗系数 一般分为三种类型，面积大变小、面积小变大，拐弯风阻。面积大变小风阻损耗系数 ；面积小变大风阻损耗系数 。 、 为变化前后的面积，拐弯风阻系数依据拐弯角的不同，系数不同。
根据上述说明，可以计算电机各部分风阻值。
风阻串联合成风阻
（3）
风阻并联合成风阻
（4）
根据图1等效风路图各风阻串并联情况，分别将表1各数值代入式（3）、（4）计算得：
根据《电机设计》第六章电机冷却，电机的风阻特性函数为
（5）
风扇的外特性曲线
（6）
式中 为风扇最大风量，根据电机结构和电机转速计算获得 ； 为风扇静压，根据电机结构和电机转速计算获得 。
将 、 代入式（5）、（6）联合求解，可得实际电机风路流量 及风压 。计算得： ，
根据上述分析计算，电机的时间冷却介质流量为 ，大于风扇理论冷却介质流量 ，故电机风路结构设计合理。
3 电机的温升计算
发电机温升计算时假设绕组铜和铁心的导热系数为无穷大，即“铜”和“铁”均为等温体；由于气隙中轴向气流热阻很大，定转子之间的热交换可以忽略不计，在此情况下定子和转子可以各自组成独立的二热源热路。由定子绕组中铜耗产生的热量可从三条途径散出：（1）从绕组端部表面传给空气，其热阻为 ；（2）从通风道中的绕组表面传给空气其热阻为 ；（3）先传给铁心，再由铁心传给空气，绕组铜与铁心之间的热阻为 ；由铁心中损耗产生的热量可以从四条途径放出：（1）从通风道表面散出，其热阻为 ；（2）从铁心内圆表面散出，其热阻为 ；（3）从铁心外圆表面散出，其热阻为 ；（4）先传给绕组铜，再由铜散出，此热阻取等于前面的 [5]。由此得到典型的二热源热路图。
由此可以列出以下方程
最后将电磁计算等效铜、铁发热量结果 ， 及前述 、 一并代入式（11）、（12），计算可得： ， 。
4 分析与结论
经过大量的理论分析计算和实物电机试验测量证明，发电机平均温升计算值与实测试验值偏差7%，通过这些数据表明该发电机通风冷却系统的设计计算和温升计算是相对可靠的。
参考文献：
[1] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版设，2008.
[2] 伍宇红，郭永红.带循环空气-水冷却器发电机通风冷却系统的设计及温升计算[J].防爆电机.2006.41（4）：11-16.
[3] 薛超，郑东平.大型同步电机通风系统的计算和分析[J].上海大中型电机.2010.（No.4）23-27.
[4] 夏海霞，李桃.发电机通风系统流场及转子温度场分析[J].电机与控制学报.2007.11（5）：472 -476.
[5] 魏永田，孟大伟，温嘉斌著.电机内热交换[M].机械工业出版社，1998.